Forschungsschwerpunkte
Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff (GH2) ist Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen hergestellt wird. Dieser Prozess gilt als umweltfreundlich, da keine Treibhausgase emittiert werden. Insbesondere Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure (AEMEL) sind eine attraktive Elektrolysetechnologie, die die entscheidenden Vorteile von Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren (PEMEL – z. B. hohe Stromdichte und schnelle Startzeit) und alkalischer Elektrolyse (AEL – z. B. niedrige Kosten und Nichtedelmetall-Katalysatoren) vereint. Allerdings führt die träge Kinetik der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) in diesen Systemen zu einem hohen Überpotential, was ihre Anwendbarkeit im industriellen Maßstab (noch) verhindert.
Die Gruppe Elektrochemische Verfahrenstechnik ist Partner einer deutsch-neuseeländischen Kooperation mit dem Ziel, hocheffiziente Anodenkatalysatoren zur Reduzierung der Zellspannung des Wasserelektrolysereaktors zu entwickeln, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Reduzierung des durch die OER verursachten Überpotentials liegt. Die auf Nickel und Mangan basierenden Elektroden werden mithilfe des dynamischen Wasserstoffblasen-Templatverfahrens hergestellt, wodurch eine poröse Elektrodenstruktur entsteht.
Schema Lithium-Ionen Batterie
Lithium-Ionen Batterien
Lithium-Ionen Batterien (LiBs) werden aufgrund ihrer hohen volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte sowie Zyklenstabilität unter anderem in mobilen Endgeräten wie Laptops oder Smartphones, mittlerweile aber auch zunehmend in größeren Anwendungen wie Kraftfahrzeugen eingesetzt. Kommerzielle LiBs bestehen anodenseitig meist aus einer kohlenstoffbasierten Elektrode und kathodenseitig aus einer Kombination unterschiedlicher Übergangsmetalle wie Nickel oder Cobalt mit Lithium. Die Elektroden sind durch einen ionenleitfähigen aber elektrisch isolierenden Separator voneinander getrennt. Der Zwischenraum ist üblicherweise mit lithiumhaltigem, organischem Elektrolyten gefüllt, um die Ionenleitung zu ermöglichen. In einigen Anwendungsfällen werden hier auch Festkörperelektrolyte eingesetzt.
Als Teil des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik (BayBatt) beschäftigen wir uns mit der sukzessiven Weiterentwicklung der einzelnen Batteriekomponenten. Die Schwerpunkte unserer Forschung liegen hierbei auf der Synthese von Silizium-Kohlenstoff-Kompositen als neuartige Anodenmaterialien, der elektrochemischen Charakterisierung glasbasierter Dünnschicht-Separatoren sowie der Entwicklung von in-situ und in-operando Analysestrategien, um die komplexen elektrochemischen Vorgänge an der Elektroden-Elektrolytgrenzfläche genauer zu untersuchen.
Schema einer Redox Flow Batterie
Redox-Flow-Batterien
Redox-Flow-Batterien speichern elektrische Energie chemisch in Form von in Tanks gelagerten Elektrolytlösungen. Vorteile gegenüber anderen Speichern liegen insbesondere darin, dass die Speicherkapazität unabhängig von der Zellgröße allein durch das Volumen des Elektrolyten beeinflusst werden kann. In unseren Projekten wollen wir die Alterung der porösen Kohlenstoffelektroden besser verstehen und verbesserte C-C Kompositelektroden herstellen. Dabei verwenden wir insbesondere auch elektroanalytische Methoden (RDE, ACCV, DRT-EIS), um den Zusammenhang zwischen Struktur und Aktivität zu untersuchen.
Schema einer Brennstoffzelle
Brennstoffzellen
Der Einsatz von Brennstoffzellen als Energiewandler mit hohem thermodynamischen Wirkungsgrad bietet eine klimafreundliche und emissionsarme Alternative zu fossilen Brennstoffen. Damit steht die Brennstoffzelle im Zentrum der aktuellen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung. Im Fokus unserer Forschung stehen die Synthese von edelmetall-basierten sowie edelmetall-freien nanostrukturierten Katalysatormaterialien für die elektrochemische Sauerstoffreduktion. Dabei interessieren wir uns insbesondere für die sogenannte HT-PEM Brennstoffzelle, die unter anderem die erhöhte Betriebstemperatur als Vorteil hat. Die Vergiftung der aktiven Pt-Zentren untersuchen wir im Betrieb mit Röntgenabsorptionsspektroskopie und versuchen diese durch die Verwendung organischer Additive positiv zu beeinflussen.
CO2 Elektroreduktion
Direkte reduktive Umwandlung von CO2
Zur chemisch-stofflichen Speicherung von erneuerbarer Elektrizität soll die Wasserelektrolyse direkt mit der Umwandlung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in höherwertige Produkte (z. B. CO, C2H4, CH3OH), gekoppelt werden. Insbesondere Kupfer ist als Katalysator für die CO2-Elektroreduktion geeignet. In einem aktuellen Projekt verwenden wir über negative Wasserstoffblasentemplatierung hergestellte Cu und CuAg-Filme als Modellsysteme, um den Einfluss von Zusammensetzung und Porengröße auf die entstehenden Produkte zu analysieren.
Elektrospinnen
Elektrospinnverfahren
Das Elektrospinnverfahren ist eine vielfältig variierbare Methode zur Herstellung von Faserstrukturen mit sehr hohen spezifischen Oberflächen. Elektrogesponnene PAN-Filze können karbonisiert und in Brennstoffzellen, Redox-Flow-Zellen oder in weiteren elektrochemischen Energieanwendung, bei denen hochporöse Materialien zum Einsatz kommen, eingesetzt werden. In unserer Arbeitsgruppe stellen wir mit Elektrospinning feinfaserige Kohlenstoffnetzwerke sowie hohle Faserstrukturen her und untersuchen die Kombination von Polymerfasern mit Metallen.