Kurzbeschreibung
Nachhaltig produzierter „grüner“ Wasserstoff (H2) wird als zentraler Energieträger für eine fossile-Brennstoff-freie Zukunft dringend benötigt. Schlüsseltechnologien für die Produktion von grünem H2 sind die nachhaltige Wasserspaltung auf elektrochemischem (EC) und photoelektrochemischem (PEC) Weg. Sowohl EC als auch PEC sind entscheidend auf die Verfügbarkeit geeigneter Katalysatorelektroden angewiesen. Insbesondere müssen EC/PEC-Katalysatorelektroden eine makroskopische, komplex geformte dreidimensionale (3D) Form und die Funktionalität nanoskopischer katalytischer Materialien verbinden, was mit herkömmlichen Herstellungsverfahren schwer zu erreichen ist. Ein alternativer Fertigungsansatz, der möglicherweise besser für die Herstellung von 3D-EC/PEC-Katalysatorelektroden geeignet ist, ist dreidimensionaler (3D-)Druck, auch bekannt als additive Fertigung. Alle derzeit verfügbaren 3D-Drucktechniken sind jedoch für die 3D-EC/PEC-Elektrodenherstellung in Bezug auf heterogene Materialintegration, hierarchische Strukturierung von cm- bis nm-Längenskalen und Druck auf beliebigen, selbst komplex geformten Substraten begrenzt. In dem hier vorgeschlagenen Projekt „3Dadditive2D“ identifizieren wir Aerosol Jet Printing (AJP) in Form des neuartigen „Micro-3D-AJP“ als einen spannenden Newcomer auf dem Gebiet des 3D-Drucks, der ideal geeignet ist, den unerfüllten Bedarf an 3D-EC/PEC-Elektroden zu decken. Wir werden erstmals neuartiges Micro-3D-AJP mit hochfunktionellen zweidimensionalen (2D) Material-Bausteinen inkl. 2D-Graphen und 2D-MoS2 entwickeln, um hierarchisch strukturierte, multifunktionale 3D-Katalysatorelektroden für die effiziente H2-Produktion in EC- und PEC-Wasserspaltung herzustellen. 2D-Materialien sind ideal für EC/PEC-Katalysatorelektroden geeignet, insbesondere da 2D-Materialien zwei Größenordnungen billiger sind als derzeit verwendete Edelmetallkatalysatoren (z. B. Pt) in EC/PEC. Wir werden zum ersten Mal Mikro-3D-AJP von 2D-Materialbausteinen mit Zielstrukturen von 3D-Säulenrastern und 3D-Mikrogittern mit hierarchischer cm- bis nm-Strukturierung demonstrieren. Bisher wurden keine solchen Strukturen aus 2D-Bausteinen mittels Mikro-3D-AJP hergestellt. Dann werden wir das neu eingeführte Mikro-3D-AJP von 2D-Materialien nutzen, um EC/PEC-3D-Elektroden mit angestrebten Leistungswerten herzustellen, die um >40% über dem derzeitigen Stand der Technik liegen. Diese anspruchsvollen Ziele werden durch ein einzigartiges Konsortium erreicht werden, das weltweit führende Erfahrung in 2D-Materialien und EC/PEC (Technische Universität Wien) und AJP (Joanneum Research) vereint. Aufgrund der Vielseitigkeit der entwickelten Mikro-3D-AJP-Technologie erwarten wir, dass „3Dadditive2D“ nicht nur die Herstellung von EC/PEC-Wasserspaltelektroden nachhaltig beeinflussen wird, sondern auch auf viele andere energierelevante Bereiche erweitert werden kann inkl. 3D-Druck von Elektroden in Superkondensatoren/Batterien, 3D-Verbindungen in energieeffizienten (opto-)elektronischen Schaltungen und elektrochemische Umweltschadstoffsensorik, wie auch die verschiedenen Interessenbekundungen österreichischer Unternehmen zu „3Dadditive2D“ belegen.