Elektrochemische Energiekonversion

Der Abkehr von fossilen Energieträgern, als Reaktion auf die steigende Erderwärmung und die Verknappung fossiler Energieträger, und dem Ausbau im Sektor erneuerbarer Energien, wurden im Rahmen der Energiewende in Deutschland konkrete Ziele gesetzt. Mit einem Anteil von über 40% der Gesamtstromerzeugung im Jahr 2018 ^[1] wird offensichtlich, dass der Bereitstellung von Strom aus erneuerbaren Energien zumindest keine technischen Hindernisse im Weg stehen. Allerdings ergibt sich durch die Umstellung der Energieversorgung eine neue Problematik: die kurz- und langfristige Speicherung der elektrischen Energie.
Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dieser Speicherproblematik, durch Forschung an und Entwicklung von intermetallischen Verbindungen als Katalysatormaterialien für die elektroschemische Energiekonversion, der direkten Energiewandlung von elektrischer in chemische Energie und deren Freisetzung (Abb. 1). Einsatzbeispiele finden sich in jedem Bereich der in Frage kommenden Reaktionen ^[2].

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Energiewandlung an intermetallischen Verbindungen zur Speicherung und Fresietzung von elektrischer Energie. [2]

Um ein besseres Verständnis der Katalysatormaterialien zu gewinnen, werden zunächst ungeträgerte intermetallische Verbindungen in ausgewählten Reaktionen wie der Wasserstoffbildungsreaktion (engl.: Hydrogen-Evolution-Reaction, kurz: HER) und der elektrochemischen Metanoloxidation (engl. Methanol-Oxidation-Reaction, kurz: MOR) untersucht. Fragen nach der intrinsischen Aktivität, der Selektivität oder der Stabilität eines Katalysators lassen sich dadurch leichter beantworten, als an hochgezüchteten Katalysatorsystemen.

 

H₃O⁺(l) + 2 e^-  → H₂(g) +2 H₂O(l)              HER

CH₃OH(l) + H₂O(l)  → 6 H⁺ + 6 e^- + CO₂(g)              MOR

 

Ausgewählte Materialien werden im Anschluss nanopartikulär dargestellt und bezüglich ihrer Aktivität weiter optimiert. Dabei ist sicherzustellen, dass sowohl Selektivität als auch Stabilität im Vergleich zum ungeträgerten Volumenmaterial nicht negativ beeinflusst werden

1. B. Burger, Öffentliche Nettostromerzeugung in Deutschland im Jahr 2018, 2018. Link zum Bericht der Fraunhofer ISE
2. L. Rößner, M. Armbrüster, ACS Catal. 9, 2019, 2018. doi: 10.1021/acscatal.8b04566