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CE = Counter Electrode (Gegenelektrode);
WE = Working Elektrode (Arbeitselektrode)
Katalysatoren für AEM-Elektrolyseure (Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyseure) kommen ohne teure Edelmetalle aus. Doch auch bei ihnen gibt es noch Möglichkeiten, die Kosten zu senken. Unter anderem wird an der Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit katalysatorbeschichteter Elektroden gearbeitet. Dazu werden neben der Materialeignung insbesondere alternative Katalysatorzusammensetzungen und -herstellungsverfahren umfassend untersucht.
Forscherinnen und Forscher des ZBT – Zentrum für Brennstoffzellentechnik in Duisburg, des fem Forschungsinstituts in Schwäbisch Gmünd und der Ruhr-Universität Bochum haben im Rahmen eines gemeinsamen IGF-geförderten Projekts große Fortschritte bei der Entwicklung kostengünstiger und langlebiger Anoden für die Wasserstoffproduktion erzielt. Um die Leistungsfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit der auf Nickel basierenden Katalysatorschicht zu steigern, wurden zum einen nichtmetallische Elemente wie Schwefel und Phosphor in die Katalysatorschicht eingebracht und zum anderen Nanokegelstrukturen in der Anodenschicht ausgebildet.
Die in dem Projekt entwickelten Anoden, die mittels Elektroabscheidung auf porösem Edelstahlvlies hergestellt wurden, erreichen eine um rund 20 % höhere Stromdichte bei gleicher Zellspannung im Vergleich zu unbehandeltem Edelstahlvlies. Edelstahl zeigt in der AEM-Elektrolyse bereits gute katalytische Wirkung und dient daher als Referenz.
Optimierte Oberfläche und Haltbarkeit
Die so modifizierten Anoden optimieren die aktive Oberfläche und verbessern so die Kinetik der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnten die Forschenden die gewünschte nanostrukturierte Morphologie und die homogene Elementverteilung bestätigen.
Zudem konnten sie in Einzelzellen-Tests eine überlegene Aktivität von Ni-S-Elektroden im Vergleich zu blankem Edelstahl feststellen. Bei einer konstanten Strommessung bei 2,5 A über 10 Stunden startet die Elektrolysezelle mit der optimierten Anode bei 1,69 V, während das Edelstahlvlies 1,92 V erfordert. Dies entspricht einer Reduktion der Zellspannung von rund 12 %. Darüber hinaus wurden nach der konstanten Strommessung ausgeprägte Korrosionserscheinungen am blanken Edelstahlvlies beobachtet, wohingegen die Ni-S-Schicht strukturell intakt blieb.
Durch die gezielte Bildung lamellarer Hydroxidstrukturen auf der Elektrodenoberfläche, die auch nach der Elektrolyse erhalten bleiben, wird die katalytische Aktivität im alkalischen Milieu stabilisiert und weiter verbessert. Die Nanokegelstrukturen vergrößern die effektive Oberfläche der Elektrode und können als robuste Träger für aktive Katalysatorbeschichtungen dienen, da sie auch nach der Elektrolyse unter alkalischen Bedingungen stabil bleiben.
In elektrochemischen Messungen sowie strukturellen und chemischen Analysen konnten die Forscherinnen und Forscher belegen, dass sich durch die Kombination von Nickel und Schwefel eine besonders aktive und stabile Oberfläche für die Sauerstoffentwicklung bildet:
• Nickelhydroxid- und Nickeloxidhydroxid-Phasen sind bekannt dafür, in alkalischen Medien – also auch in der AEM-Elektrolyse – aktiv an der OER teilzunehmen.
• Durch die Einbindung von Schwefel wird die elektronische Struktur des Nickels verändert, also jene Elektroneneigenschaften, die seine Leitfähigkeit, Bindungsstärken zu Reaktanden und damit seine katalytische Aktivität beeinflussen.
• Dadurch wird die Adsorptionsstärke der Sauerstoffzwischenprodukte an der Katalysatoroberfläche optimiert. Die Bindungsenergie wird in Richtung eines optimalen Wertes verschoben (weder zu starke noch zu schwache Bindung).
• Ergebnis: geringeres anodisches Überpotential bei gegebener Stromdichte, was sich in niedrigeren Zellspannungen äußert.
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die Lamellen hingegen nur zu erahnen.
Skalierbares Herstellungsverfahren
Die Schlüsselinnovation für eine spätere Anwendung liegt in der elektrochemischen Abscheidung (Elektroabscheidung). Dieses Verfahren erlaubt eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung und Struktur der Katalysatorschicht. Die Methode ist zudem skalierbar und damit industrienah – ein entscheidender Vorteil gegenüber aufwendigeren Herstellungsprozessen.
Miriam Hesse, Doktorandin am ZBT und Mitautorin der Publikation, konzentriert sich in ihrer Forschung auf die Herstellung, Charakterisierung und Testung von edelmetallfreien Elektroden in realen AEM-Elektrolysesystemen. Dabei untersucht sie, wie Zusammensetzung, Struktur und Oberflächenmorphologie der Katalysatoren deren Aktivität und Stabilität beeinflussen. Zu ihren Aufgaben gehören unter anderem elektrochemische Messungen und Analysen mittels Röntgenfluoreszenz (XRF), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM), die sie vor und nach dem Elektrolysebetrieb durchführt, um Veränderungen in Zusammensetzung und Mikrostruktur der Materialien zu bewerten.
Das Projekt zeigt nicht nur, dass in den vergangenen Jahren zahlreiche vielversprechende Materialien in der Laborforschung entwickelt wurden, sondern setzt genau dort an, indem es deren Überführung in praxisnahe Elektrolyseanwendungen vorantreibt. Hesses Arbeit schlägt damit eine Brücke zwischen materialwissenschaftlicher Grundlagenforschung und der anwendungsnahen Bewertung von Elektroden für zukünftige Elektrolysesysteme.
Die kürzlich veröffentlichte Studie zeigt das Potenzial von galvanisch abgeschiedenen Materialien auf Nickelbasis für die skalierbare Herstellung effizienter Anoden für die AEM-Elektrolyse auf. Damit gibt sie der Entwicklung kostengünstiger Technologien zur Wasserstofferzeugung einen wichtigen Impuls.
Über das ZBT
Das ZBT – Zentrum für BrennstoffzellenTechnik wurde 2001 in Duisburg gegründet und ist eine der führenden anwendungsnahen Forschungseinrichtungen in Europa für Brennstoffzellen, Wasserstofftechnologien und Elektrolyseverfahren. In der europäischen und nationalen Spitzenforschung und in Industrieprojekten ist das ZBT ein gefragter Forschungs- und Entwicklungspartner.
Von Materialien über Bauteile und Komponenten bis zu ganzen Systemen, von der Gewinnung grünen Wasserstoffs über die Vertankung bis zur Rückverstromung, von Prototypen über die Kleinserie bis zur Massenproduktion – das ZBT bildet eine Brücke zwischen der universitären Grundlagenforschung und den Entwicklungsabteilungen der Industrie.
