Ceroxid Kathoden für Hochleistungs-Elektrolysezellen

In Anbetracht der aktuellen Energie- und Klimakrise ist eine Umstellung der Energieversorgung von fossilen zu nachhaltigen Energiequellen von höchster Dringlichkeit. Dafür ist es nötig Energie zwischenzuspeichern, um die unregelmäßige Verfügbarkeit erneuerbarer Energieträger wie Wind und Sonne (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeiten) an den Bedarf anzupassen. Außerdem ist für die Dekarbonisierung der Industrie die Bereitstellung nachhaltiger chemischer Energieträger wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid unabdingbar. Die Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid stellt eine sehr wichtige Methode dar, um beide Anforderungen zu erfüllen. Die Hochtemperaturelektrolyse in Festoxidzellen ist dabei ein Schlüsseltechnologie, da sie einerseits in der Lage ist den höchsten Wirkungsgrad der aktuell verfügbaren Elektrolyseverfahren zu erreichen und andererseits aufgrund ihrer hohen Betriebstemperaturen am besten zu Spaltung des sehr stabilen CO2 Moleküls geeignet ist. Ein bekanntes Problem derzeitiger Festoxidzellen und insbesondere ihrer Kathoden sind allerdings deren hohe Degradationsraten, auch wenn derselbe Zelltyp unter Brennstoffzellenbedingungen (also umgekehrte Strom sowie Reaktionsrichtung wie in Elektrolysezellen) stabil ist. Der Grund dafür sind zum einen mikrostrukturelle Veränderungen der Kathoden unter Elektrolysebedingungen, sowie deren Anfälligkeit für Kohlenstoffablagerungen (Coking) in Gegenwart kohlenstoffhaltiger, reduzierender Gase wie Kohlenmonoxid. Ziel dieses internationalen Projekts ist es langzeitstabile Kathodenmaterialen für Hochtemperaturelektrolysezellen zu entwickeln. Dabei sind Keramiken auf CeO2-Basis eine sehr vielversprechende Wahl, da diese bereits eine hervorragende Kinetik im Brennstoffzellenbetrieb aufweisen und das Material als coking-tolerant gilt. Um die Eigenschaften dieses Elektrodenmaterials durch Dotierung gezielt maßschneidern zu können, ist ein tiefgreifendes Verständnis einer Vielzahl von Materialparameter nötig wie bspw. ionische und elektronische Leitfähigkeit, katalytische Aktivität für die CO2 Spaltung, Coking-Resistenz, Sinterverhalten, Ausdehnungsverhalten unter elektrochemischer Polarisation, sowie Bruchverhalten. Die Zusammenstellung des internationalen Forscher:innenteams aus Deutschland, Österreich und der Schweiz trägt dieser hochkomplexen Anforderung Rechnung: Die Untersuchung der elektrochemischen, sowie katalytischen Eigenschaften von neuartigen Kathodenmaterialen aus dotiertem CeO2 erfolgt an der TU Wien. Das Forschungszentrum Jülich ist für das Processing des Materials und die entsprechende Herstellung realer, 3D-poröser Kathoden verantwortlich. Elektrochemische Zelltests sowie die Untersuchung der mikrostrukturellen Änderungen im Elektrolysebetrieb werden an der EPFL durchgeführt. Anhand der gewonnenen experimentellen Daten werden an der Hochschule Karlsruhe Phasenfeldsimulationen durchgeführt, die Prognosen des Langzeitverhaltens sowie der Bruchmechanik der Elektrolysezellen erlauben. Aus den so gewonnenen Erkenntnissen können wiederum notwendige Änderungen der Zusammensetzung des Kathodenmaterials abgeleitet werden, die dann ins Materialdesign einfließen. Diese enge Zusammenarbeit mehrerer Disziplinen erlaubt somit eine gezielte, wissensgetriebene Materialoptimierung, die den Weg zu langzeitstabilen Hochleistungskathoden für die CO2 Reduktion in Hochtemperaturelektrolysezellen ebnet.