NSERC-DFG SUSTAIN: Hierarchisch strukturierte Katalysatorschichten durch spinodale Dekomposition für PEM Brennstoffzellen Kathoden - Vom grundlegenden Verständnis zur Anwendung unter Betriebsbedinungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Florian Hausen; Professorin Dr. Anna K. Mechler
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534266948

PEM Brennstoffzellen (PEMFC) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wasserstoff gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. In diesem internationalen Projekt adressieren wir die aktuellen Herausforderungen einer ineffizienten Katalysatorschicht (CL) für die Kathode, indem wir eine maßgeschneiderte hierarchische Struktur für verbesserte Katalysatorzugänglichkeit und Massentransport entwickeln. Die optimale Architektur der CL mit Kanälen für Protonenversorgung, Sauerstoff- und Wassertransport wird durch spinodale Zerlegung realisiert. Diese Methode, bei der ein homogenes Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten eine gezielte Phasentrennung erfährt, ermöglicht die Herstellung von hierarchisch strukturierten Materialien, die in gleichgewichtsfernen Netzwerken verhaftet sind. Die spinodale Zersetzung wurde bisher noch nicht für die Entwicklung hocheffizienter CLs für PEMFCs eingesetzt. Vorläufige Ergebnisse unseres Konsortiums bestätigen die Machbarkeit des Konzepts und zeigen vielversprechende erste Ergebnisse von PEMFCs mit verbesserter Leistung. Durch die Variation der Entmischungsflüssigkeiten, der Katalysatorpartikel und der Ionomer-Architektur in Kombination mit den Verarbeitungsbedingungen, kann die endgültige hierarchische Struktur gesteuert werden. Die leitfähige Rasterkraftmikroskopie (c-AFM) mit rasterelektrochemischer Mikroskopie (SECM) wird eingesetzt, um protonenleitende Kanäle in der Struktur sichtbar zu machen und sie mit lokalisierten, elektrochemisch aktiven Regionen in Verbindung zu bringen. Schließlich werden die gesamte zugängliche elektrochemisch aktive Pt-Oberfläche (ECSA) und der Sauerstofftransportwiderstand innerhalb der CL auf Reaktorebene charakterisiert. Gleichzeitig wird die Gesamtleistung der neuen CLs mit konventionellen CLs verglichen. Im Rahmen dieses Projekts wollen wir eine Brücke zwischen Struktur, lokaler elektrokatalytischer Aktivität und Ionomer-Katalysator-Wechselwirkung und verbesserter Leistung schlagen. Die Schlüsselfaktoren für die Verbesserung des O2-Transports und der Zugänglichkeit von Pt werden auf der Mikro- und Makroskala mit Hilfe von Rheologie, AFM und elektrochemischen Methoden untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zur Optimierung der hierarchischen Struktur genutzt. Durch die Kombination der mikro- und makroskaligen Eigenschaften und der Leistung auf Reaktorebene soll eine Verbindung zwischen dem mikroskopischen Verhalten und seinen makroskopischen Folgen hergestellt werden. Auf der Grundlage dieser Struktur-Funktions-Beziehung werden die hierarchisch strukturierten Kathoden-Katalysatorschichten optimiert, um eine bessere Pt-Nutzung und einen verbesserten Massentransport zu erreichen. In unserem interdisziplinären Projekt kombinieren wir anspruchsvolle Präparation mit fortschrittlicher Charakterisierung und Elektrochemie auf Geräteebene, um eine komplexe, aber dennoch kostengünstige und leicht zu industrialisierende neue CL für verbesserte PEMFC-Leistung zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Partnerorganisation: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
• Kooperationspartnerin: Professorin Milana Trifkovic