Kurzbeschreibung
Es wird erwartet, dass die weltweiten Investitionen in Wasserstoff bis zum Jahr 20301 300 Milliarden US-Dollar übersteigen werden, da die Wasserstoffenergie das Potenzial bietet, die Wasserstofferzeugung über die Elektrolyseurtechnologie mit erneuerbaren elektrischen Energiequellen zu verbinden und "grünen" Wasserstoff zu erzeugen. Von den Elektrolyseurtechnologien bieten Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (AEMWE) ein großes Potenzial, da sie im Vergleich zu den bekannteren Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseuren die Verwendung billigerer Katalysatoren ermöglichen und die Karbonatbildungsprobleme der bereits industriell eingesetzten alkalischen Wasserelektrolyseure (AWE) vermeiden. Die billigeren AEMWE-Katalysatoren bedürfen jedoch noch erheblicher technologischer Verbesserungen, da ihre derzeitige Leistung um mehr als eine Größenordnung hinter den teuren Katalysatoren auf der Basis von Platingruppenmetallen (PGM) zurückbleibt.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher die Optimierung der AEMWE-basierten Wasserstoffproduktion mit dem Ziel, die Leistung wirtschaftlicher Katalysatoren auf Nicht-PGM-Basis zu verbessern. Wir werden uns auf die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) konzentrieren, die die Engpassreaktion im Wasserspaltungsprozess ist, und werden teure Metall- oder Metalloxidkatalysatoren vermeiden und stattdessen Katalysatoren auf Ni- oder Fe-Basis verwenden, um die Investitionskosten für AEMWE zu senken und so den Weg für deren späteren Markteintritt zu ebnen.
Um die derzeitigen Beschränkungen von Nicht-PGM-Katalysatoren zu überwinden, entwickelt OxyCAT mehrere innovative Konzepte, wie z. B. 1) kombinatorische elektrochemische Abscheidung (CED) für die Erzeugung von Ni-Legierungs- und metallorganischen Gerüstbibliotheken (MOF) mit hohem Durchsatz für eine schnelle Materialoptimierung; 2) die Verwendung von orientierter elektrophoretischer Abscheidung von MOF-Katalysatoren zur Maximierung der Massentransportraten; 3) Maximierung der aktiven Katalysatoroberflächen durch Nanostrukturierung, Steuerung der Benetzbarkeit und beschleunigte Blasenablösung zur Optimierung der OER-Katalysatorleistung.
Es wird daher erwartet, dass OxyCAT verbesserte OER-Katalysatoren für AEMWEs entwickelt und Zusammensetzungs- und Struktur-Funktionsbeziehungen für die OER-Leistung herstellt. Unser Ziel ist es, die Zusammensetzungen von Ni-Übergangsmetall-Legierungen sowie von bimetallischen MOF-Elektrokatalysatoren auf der Basis von Ni-Übergangsmetall für die OER-Leistung unter industriell relevanten Bedingungen zu optimieren und die Auswirkungen ihrer veränderten Zusammensetzung auf die Leistung und Stabilität zu verstehen. Wir erwarten, dass wir neue Methoden zur Kontrolle der Nano-/Mikrostruktur von OER-Katalysatoren durch kontrollierte elektrophoretische Abscheidung und MOF-Wachstum entwickeln werden, um den Massentransport, die Benetzbarkeit und die Ablösung von Blasen zu verbessern und so die OER-Leistung zu optimieren. Die Auswirkungen dieser Faktoren auf die langfristige Katalysatorleistung werden untersucht, um Grundsätze für das Design von Nicht-PGM-OER-Katalysatoren abzuleiten. Die Ergebnisse sollen den Weg für eine kostengünstige und praktische Nutzung von AEMWE ebnen.
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