Max-Planck-Forschungsgruppe - Elektrochemie für Energieumwandlung

Die Gruppe „Elektrochemie für Energieumwandlung“ setzt elektrochemische Methoden kombiniert mit oberflächenspezifischen und anderen instrumentellen Analysetechniken ein, um den Zusammenhang von Grenzflächen, Elektrolyteigenschaften und elektrokatalytischer Aktivität zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Reaktionen, die für die Energieumwandlung, -speicherung und -nutzung von Interesse sind.

Bewerbungen von motivierten Masterstudent*innen sind jederzeit willkommen.

Erzeugung von Brennstoffen aus Elektrizität

Eine Möglichkeit, die Fluktuationen bei den erneuerbaren Energiequellen auszugleichen, ist die Entwicklung und Implementierung einer sogenannten „Wasserstoffwirtschaft“. In diesem Konzept wird Elektrizität aus erneuerbaren Energieträgern in der Spitzenlastphase zur Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse verwendet. Der gewonnene Wasserstoff wird in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie wiederverwendet. So wird eine Energiespeicherung aus erneuerbaren Energiequellen ermöglicht.

Die Reaktionen, die in einem Elektrolyseur ablaufen, sind die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER). In einer Brennstoffzelle hingegen, sind es die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR). In beiden Fällen haben die Sauerstoffreaktionen (OER und ORR) eine langsamere Kinetik, die den entscheidenden Engpass darstellt, um diese Geräte effizienter zu machen. Darüber hinaus erfordert die Katalyse dieser Reaktionen teure Edelmetallkatalysatoren (wie Pt), so dass wirtschaftlichere Alternativen gefunden werden müssen. 

Die Gruppe „Elektrochemie für Energieumwandlung“ untersucht den Einfluss von Zwei-, Drei- und Mehrkomponentenlegierungen, Oberflächen- und oberflächennahen Legierungen sowie Oberflächenstruktur und Elektrolytzusammensetzung auf die elektrokatalytischen Eigenschaften für diese Schlüsselreaktionen. Die Gruppe versucht ein sinnvolles Katalysatordesign zu entwickeln, indem sie die Aktivität, Selektivität und Stabilität dieser Katalysatoren mit bewertbaren physikalischen Eigenschaften verknüpft.

Verwendung von Elektrizität zur Herstellung relevanter chemischer Produkte

Ein weiterer Weg zur Nutzung von elektrischer Energie ist die Direktsynthese von häufig genutzten Chemikalien. Zum Beispiel kann die ORR zwei verschiedene Wege gehen; den sogenannten 4-Elektronen-Weg, der in Brennstoffzellen erwünscht ist, und den 2-Elektronen-Weg, der in diesem Fall nicht erwünscht ist, aber zur Erzeugung von Wasserstoffperoxid führt - eine häufig genutzte Chemikalie und ein Oxidations- und Desinfektionsmittel. Daher ist eine gute Kontrolle der Selektivität der ORR für verschiedene Anwendungen von hohem Interesse.

Ammoniak ist die am zweithäufigsten produzierte Chemikalie der Welt und wird nach dem bekannten Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. Da der Haber-Bosch-Prozess hohe Temperaturen und Drücke erfordert, benötigt er große zentrale Anlagen. Ammoniak im elektrochemischen Verfahren unter Nutzung erneuerbaren Energien zu synthetisieren und gleichzeitig den Standort der Anlagen zu dezentralisieren, wäre eine interessante Option. Obwohl die elektrochemische Ammoniaksynthese seit Jahrzehnten untersucht wird, gibt es hier ganz andere Herausforderungen als bspw. an die Produktion von Wasserstoffperoxid, die bereits kommerziell genutzt wird. Das Fehlen von Standards, Protokollen und einem allgemeinen Verständnis für die Besonderheiten der Reaktion hat zu viel Verwirrung hinsichtlich der Durchführbarkeit des Verfahrens geführt. Erst in jüngster Zeit wurden diese Fragen ernsthaft angegangen (siehe z.B. [2]). Die größte Herausforderung auf diesem Gebiet ist die ordnungsgemäße, standardisierte und zuverlässige Prüfung katalytischer Systeme. Dies sollte es ermöglichen, ein viel klareres Bild über das Potenzial oder das Fehlen eines solchen Systems zu erhalten.