Untersuchung des Übergangs der Ionen-Selektivität von pseudokapazitiver Entsalzung hin zur Batterieentsalzung (SELECT)

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506033205

Die Energiewende kann nur durch ihr Analogon der Wasserwende gelingen, sprich: es müssen für eine nachhaltige Zukunft neue Technologien für eine energie-effiziente Wasseraufbereitung entwickelt werden. Besonders interessant sind elektrochemische Methoden, wie kapazitive Entionisierung (CDI), welche auf Ionenelektrosorption mittels elektrisch geladener Kohlenstoffelektroden ermöglicht wird. CDI ist jedoch aufgrund der konzentrationsabhängigen Permselektivität auf sehr niedrige Ionenkonzentrationen (Brackwasser) begrenzt und hängt von der spezifischen Oberfläche des Elektrodenmaterials ab. Es ist aber auch möglich, Wasser durch das Laden von Faraday’schen Materialien zu entsalzen, wie solchen, die Interkalation ermöglichen (FDI). Ein typisches FDI Material sind Metalloxide, die zur Kationen-Interkalation fähig sind. FDI funktioniert auch bei hoher Salzkonzentration (Meerwasser) und ermöglicht aufgrund der höheren Ladungsspeicherkapazität auch höhere Entsalzungskapazitäten.Die Technologie der Entsalzungsbatterien stellt neben der Pseudokapazitiven Entsalzung eine von zwei FDI Mechanismen dar. Bei Entsalzungsbatterien werden Ionen bei spezifischen Interkalationspotentialen immobilisiert; bei Pseudokondensatoren ist der Ioneneinbau zu jedem applizierten Potential kontinuierlich möglich. Batterie-ähnliche Prozesse, welche stärker Diffusionsbegrenzungen unterliegen, können potentiell sehr hohe Selektivitäten für ionischen Spezies ermöglichen, wohingegen der schnellere Prozess der Pseudokapazität weniger selektiv sein kann. Der Übergang dieser beiden Prozesse, als Funktion der Kristallstruktur, wurde bisher nicht detailliert adressiert. Ebenso nicht, wie sich die Ionenselektivität im Laufe der Materialalterung verändert. Dabei ist es von hohem Interesse zu wissen, wie Entsalzungskapazität, Entsalzungsrate, Energieeffizienz und Ionenselektivität sich ändern. Denn: ionenselektive und hochperformante Entsalzungstechnologien sind von hoher Wichtigkeit für die Rückgewinnung von Rohstoffen, der Entfernung von Schadstoffen und der Erzeugung von sauberem Wasser für die Trinkwasserversorgung und die Herstellung von Wasserstoff via Elektrolyse.In unserem Projekt werden wir gezielt Kohlenstoffmaterialien mit äußerer Oberfläche (Kohlenstoffnanozwiebeln und Kohlenstoffnanoröhrchen) mit Metalloxiden (Vanadiumoxid und Molybdänoxid) beaufschlagen. Dazu nutzen wir die auf der Nanoskala kontrollierbare Method der Atomlagenabscheidung (ALD). Neben umfassender Materialcharakterisierung werden wir in Halb- und Vollzellen die Elektrochemie erfassen und Entsalzungsexperimente bei niedriger und hoher Ionenkonzentration durchführen. Speziell adressiert wird dabei auch die Elektrodenalterung, der Ionenimmobilisierungsmechanismus und die resultierenden Leistungsparameter der Entsalzung sowie der Ionenselektivität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen