Elektrochemisches Entlegieren metallischer Gläser zur Entwicklung neuer nanostrukturierter Elektroden für die Entwicklung von grünem Wasserstoff

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Viktoria Shtefan, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553576450

Mehrkomponentige metallische Gläser (MGs) erfahren weltweit ein stark zunehmendes Forschungsinteresse im Hinblick auf dringend benötigte neue Entwicklungen von Elektrodenmaterialien für die Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse. Dies ist zurückzuführen auf ihre möglichen weiten Zusammensetzungsbereiche und auf ihre einzigartige einphasig amorphe Natur mit intrinsisch hohen Energiezuständen. Neuerdings werden metallische Gläser auch als ideale homogene Ausgangslegierungen für innovative Entlegierungskonzepte zur Erzeugung funktionaler Nanostrukturen betrachtet. Das Ziel des eingereichten Vorhabens ist die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Erzeugung nanostrukturierter (nanoporöser) Elektrodenmaterialien für eine effiziente katodische Wasserstoffentwicklung bei alkalischer Wasserelektrolyse. Das Vorhaben basiert auf spezielle maßgeschneiderte Glas-bildende Legierungen aus unedlen Metallen und einem neuen Konzept für das elektrochemische Entlegieren. Die damit verbundenen fundamentalen Aspekte der Glasbildung und Glasstabilität sowie die Mechanismen des Entlegierungsprozesses werden aufgezeigt und diskutiert. Die Zusammenhänge zwischen erzeugten metallischen Nanostrukturen und erreichbaren Elektrodenleistungsdaten werden beschrieben. Das Projekt beinhaltet zunächst das Design, die Herstellung und die Charakterisierung von geeigneten Zr-basierten Ausgangslegierungen mit hoher Glasbildungsfähigkeit. Dies wird durch eine Elementsubstitutionsstrategie realisiert, die den prinzipiellen Kriterien für Glasbildung folgt. Begleitend werden strukturelle, chemische und thermische Materialanalysen durchgeführt. Im Weiteren wird eine neue Methode für das homogene Entlegieren dieser Glaslegierungen entwickelt, welche auf spezielle elektrochemische Behandlungen in nachhaltigen Elektrolyten basiert. Die angestrebten Nanoligamentzustände mit neuartigen Phasenzusammensetzungen und erwarteten synergetischen elektrokatalytischen Effekten werden tiefergehend mit neuen Material- und Oberflächenanalysemethoden charakterisiert. Das Elektrodenverhalten dieser neuen nanostrukturierten Elektrodenmaterialien für die Wasserstoffreduktion in alkalischen Elektrolyten wird in Halbzellexperimenten untersucht. Dies umfasst neben typischen elektrokatalytischen Testmethoden auch erste Bewertungen ihrer Korrosionsstabilität unter angenäherten Elektrolysebedingungen. Eine Bewertung der erreichbaren Elektrodenleistungen erfolgt im Vergleich zu denen von etablierten Materialien und anderen gegenwärtig erforschten nanostrukturierten Materialien. Der Konzeptnachweis umfasst auch erste Tests der vielversprechendsten neuen Elektrodenmaterialien unter Berücksichtigung der von der Europäischen Kommission vorgegebenen Key Performance Indicators (KPIs) für Wasserelektrolyse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen