Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Galvanische Metall-Abscheidung zur Herstellung effizienter 3D-Elektroden für die elektrochemische CO2 Reduktion

Im Rahmen des geplanten Vorhabens soll CO2 mittels Niedertemperatur-CO2, H2O-Co-Elektrolyse zu höherpreisigen Wertprodukten wie Ameisensäure, Oxalsäure oder höheren Alkoholen umgesetzt werden. Dabei kommen Kupfer und Zinn als Elektrokatalysatoren deutliche Sonderstellungen zu. Kupfer ist in der Lage als Katalysatormaterial CO2 je nach Reaktionsbedingungen und Morphologie zu Methan, Methanol und höheren Kohlenwasserstoffen umzusetzen. Zinn hingegen kann mit hohen Effizienzen CO2 in Formiat umwandeln. Neben einer Erhöhung der Selektivität sowie Aktivität der Elektroden liegt eine weitere Herausforderung in der elektrochemischen CO2 Reduktion darin, die Stromdichte im Prozess deutlich zu erhöhen. Gasdiffusionselektroden mit ihren porösen Elektrodenstrukturen ermöglichen aufgrund ihrer Struktur, Textur und Benetzungseigenschaften die Ausbildung einer ausgedehnten Grenzfläche zwischen Gas, Elektrolyt und Katalysator, so dass die aktive Oberfläche um ein Vielfaches gegenüber der geometrischen Elektrodenfläche erhöht wird.

Ziel des Projektes ist, Katalysatorpartikel gezielt innerhalb dieser Struktur elektrochemisch abzuscheiden und ihre strukturellen Eigenschaften für eine Maximierung der Selektivität sowie Aktivität zu beeinflussen. Hierbei muss das Trägersystem so angepasst werden (durch Herstellparameter, Supportmaterialien und Bindertypen), dass die Beschichtungslösung über den gesamten Querschnitt gleichmäßig in das Porensystem eindringen kann. Im Idealfall werden vom Elektrolyten während der Abscheidung die gleichen Bereiche benetzt wie anschließend während der CO2 Elektrolyse. Hierdurch wird eine Maximierung des Katalysatorausnutzungsgrades erreicht. Die dadurch erhöhte Stoffmenge pro Zeit erschließt diesen Syntheseweg als Produktionsverfahren, so dass Anwender, wegen des vorläufigen Nischencharakters insbesondere KMU, dieses Verfahren zur Erweiterung des Portfolios nutzen können. Davon profitieren auch Zulieferer für Elektrodenmaterial (Beschichter, Galvaniken).

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts GalMAtrode wurde die Herstellung von neuen Katalysatormaterialien für die elektrochemische CO2 Reduktions-Reaktion (CO2-RR) auf Basis der Metalle Zinn, Kupfer und Bismut detailliert untersucht. Hierzu wurden die Metalle galvanisch auf verschiedenen porösen Elektrodensubstraten abgeschieden. Die galvanische Abscheidung ermöglicht den Zugang zu Morphologien und Katalysatorspezies, die durch herkömmliche Methoden zur Aufbringung des Elektrokatalysators auf GDEs, wie z. B. die nasschemische Fällung oder Aufsprühen einer Suspension, nicht möglich sind.

Gasdiffusionselektroden mit galvanisch abgeschiedenem Katalysator sind für eine Anwendung in der CO2-RR sehr gut geeignet. Mit diesen Elektroden konnten bessere Selektivitäten als mit State-of-the-Art-Elektroden erreicht werden.

Darüber hinaus konnte im Projekt gezeigt werden, dass Zinn bei längeren Standzeiten > 2 h und industriell relevanten Stromdichten (>200 mA∙cm-2) instabil ist und sich in Elektrolyten auflöst. Aus diesem Grund wurde im Verlauf des Projekts ein auch bei langen Standzeiten (> 24 h) und Stromdichten von 200 mA∙cm-2 stabiles Katalysatorsystem auf Basis von Bismut entwickelt. Elektrochemisch abgeschiedenes Bismut ist ein geeigneter Katalysator für die CO2-RR. Das im Projekt entwickelte, auf Bismut basierende Katalysatorsystem sowie die gewonnenen Erkenntnisse über einen Zusammenhang zwischen Abscheidungsparameter und elektrochemischer Leistung sind ein guter Ausgangspunkt für weitere Optimierungen wie die Beschaffenheit des Elektrodensystem, verwendeten Elektrolyten und Aufbau der Elektrolysezelle.

Die Anwendungsmöglichkeiten der im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse liegen in den Bereichen der Energietechnik, Werkstoffe und Materialien, Chemie und Chemische Verfahren sowie Oberflächentechnik. Die zugehörigen Wirtschaftszweige sind Hersteller von chemischen Erzeugnissen, Energieversorger sowie Metallerzeuger und –bearbeiter.