Katalysatoren für Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWE)

Beteiligte Forscher: Darius Hoffmeister, Doktorand

Obwohl PEMWE als der vielversprechendste Typ für die Umwandlung erneuerbarer Energien angesehen wird, wird ihre breite Anwendung immer noch behindert. Dies liegt sowohl an den hohen Investitionskosten (CAPEX) als auch an den Betriebskosten für die H₂-Produktion (OPEX). Was die CAPEX betrifft, so sind die Katalysatorkosten zum wichtigsten Kostenfaktor geworden, da der Preis für Edelmetall, z. B. Iridium, in letzter Zeit drastisch gestiegen ist. Diese beiden Haupthindernisse könnten durch die Entwicklung und Implementierung eines effizienten OER-Katalysators, der die Edelmetallbelastung und den Energieverbrauch von PEMWEs reduzieren könnte, gemildert werden.

Um das oben genannte Problem anzugehen, entwickelt unser Team fortschrittliche strukturierte Katalysatoren auf der Grundlage von nanostrukturierten IrO₂- und TiO₂-Materialien. Ein Beispiel für einen solchen strukturierten Katalysator sind IrO2@TiO2-Kern-Schale-Partikel (siehe Abbildung rechts). Wir haben eine Synthesemethode entwickelt, um eine skalierbare Charge des IrO₂@TiO₂-Kern-Schale-Katalysators zu erhalten. Der Syntheseprozess basiert auf einer Imprägnierungsmethode mit einer Wechselwirkung zwischen Vorläufern und Träger. Die Katalysatorschichten werden durch Sprühbeschichtung der synthetisierten Katalysatoren auf poröse Titantransportschichten (Ti-PTL) hergestellt, um poröse Transportelektroden (PTEs) zu bilden. Der IrO₂@TiO₂-Katalysator zeigte im Vergleich zu den kommerziellen Katalysatoren ohne Träger (IrO2) und gemischtem IrO₂/TiO₂ eine überlegene Leistung (siehe Abbildung). Unser IrO₂@TiO₂-Katalysator ermöglicht auch die Implementierung von Katalysatorschichten mit geringer Ir-Beladung von 0,4 mgIr cm^-2 für PEMWE, ohne die Zellleistung zu beeinträchtigen. Wir arbeiten nun daran, dieses Katalysatorkonzept weiterzuentwickeln, um eine umfassende Zellleistung und -stabilität zu erreichen und seine industrielle Anwendbarkeit zu bewerten. Die Arbeiten finden in enger Zusammenarbeit mit renommierten Instituten und Industriepartnern statt. Sie werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des StacIE-Projekts gefördert.

Literatur

• C.V. Pham*, M. Bühler, J. Knöppel, M. Bierling, D. Seeberger, D. Escalera-López, K. J.J. Mayrhofer, S. Cherevko, S. Thiele, IrO₂ coated TiO₂ core-shell microparticles advance performance of low loading proton exchange membrane water electrolyzers, Appl. Catal. B, 269 (2020) 118762

• C.V. Pham, D. Escalera‐López, K. Mayrhofer, S. Cherevko, S. Thiele, Essentials of High Performance Water Electrolyzers–From Catalyst Layer Materials to Electrode Engineering, Adv. Energy Mater. 11 (44) (2021), 2101998

Weitere Forschungsthemen

Katalysatoren für die Wasserstoffentwicklung (HER)

CO2-Elektrolyse

Katalysatoren für Brennstoffzellen und elektrochemische Synthesereaktoren