Pseudokapazitive Entsalzung mit nanolamellaren Metallkarbiden (MXen CDI)

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404260730

Kapazitive Entionisierung (CDI) ist eine neuartige Methode zur energieeffizienten Entsalzung von niedrigmolaren, wässrigen Elektrolyten (kleiner 100 mM; d.h. vor allem Brackwasser und Industrieabwässer). CDI entfernt Ionen aus einem Zustrom durch die Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht an Anode und Kathode eines Paars hochporöser Elektroden. Damit entspricht dieser elektrostatische Entsalzungsmechanismus dem Energiespeicherkonzept von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (Superkondensatoren). CDI Elektroden lassen sich durch Entladen wieder regenerieren und einem weiteren Entsalzungszyklus zuführen. Der Großteil der bisherigen CDI Forschung und Entwicklung bezieht sich auf Kohlenstoffelektroden aufgrund deren großer Oberfläche, hohem Porenvolumen und (elektro)chemischer Stabilität.In dem beantragten Projekt soll erstmals ein rein pseudokapazitives Material untersucht werden, nämlich das 2-dimensionale, nanolamellare MXen. Pseudokapazität bezeichnet Faradaysche Prozesse (hier: Anionen bzw. Kationeninterkalation), deren elektrisches Verhalten einem Kondensator entspricht (lineare Ladung-vs.-Spannung). MXene sind ein erstmals 2011 beschriebenes Nanomaterial; hierbei handelt es sich um eine stetig wachsende Gruppe von binären Metallkarbiden, -karbonitriden und -nitriden, die aus den ternär strukturierten MAX Phasen abgeleitet werden. Letztere umfassen derzeit über 60 bekannte Phasen. Dazu werden in MAX Phasen selektiv über chemische Verfahren die schwächer gebundenen Atome der A-Schicht (z.B. Si oder Al) entfernt, sodass nur M und X Atome übrigbleiben (z.B. V2C).Basierend auf vielversprechenden Voruntersuchungen wird das Projekt die zwei wichtigen Kernaspekte der Materialforschung und wässrige Elektrochemie umfassen. Eine promovierende Person wird aus V2AlC (MAX Phase) mittels HF Ätzung V2C MXene ableiten. Zusätzlich wird die Oberflächenchemie über chemisch-thermische Verfahren verändert (u.a. oxidiert). Im wässrigen Elektrolyten mit NaCl als Salz wird der Einfluss der MXene Struktur und Oberflächenchemie auf das elektrochemische Verhalten untersucht werden. Neben grundlegender Elektrochemie wird auch das Entsalzungsverhalten quantifiziert. Ergänzend werden strukturelle Änderungen über in situ und post mortem Methoden nachverfolgt und für ein Konzeptverständnis der pseudokapazitiven Entsalzung herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen