GDE4OES Laplacedruck-kontrollierte Gas-Diffusions-Elektroden für die organische Elektrosynthese

Elektrochemische Zelle zur Testung von Gas-Diffussions-Elektroden. (Quelle: Lehrstuhl für Power-to-X Technologien / FAU Erlangen-Nürnberg)

Motivation: Die Umwandlung von Gasen, wie CO2, N2 oder O2 ist in der synthetischen organischen Chemie eine große Herausforderung. Die Elektrochemie bietet hier Möglichkeiten, da in einem weitem Potenzialfenster Reaktionen durchgeführt werden können. Einer breiten technischen Anwendbarkeit steht die geringe Bereitstellung der gelösten Gase an der Elektrode im Weg. Dieses Problem ist detailliert für wässrige Elektrolyten bekannt und kann hier durch die Verwendung sogenannter Gas-Diffusions-Elektroden (GDE) gelöst werden. In GDEs wird durch hydrophobe Materialien eine große Phasengrenzfläche zwischen der flüssigen Elektrolytphase, Elektrode und der Gasphase bei geringen Diffusionswegen aufrechterhalten. Für organische Elektrolyte kann dies aufgrund der geringeren Benetzungsunterschiede bisher nicht genutzt werden und es fehlen technische GDE Konzepte.

Ziele und Vorgehen: GDE4OES will diese Probleme angehen, indem die Position der Phasengrenze innerhalb komplexer und evtl. hierarchisch strukturierter Elektrodennetze über den Differenzdruck zwischen Gas- und Flüssigphase eingestellt wird. Hierbei werden sowohl die Struktur der Elektrode wie auch die Betriebsparameter und das Zellenkonzept entwickelt. Die Partner vereinen hierfür Kompetenzen in der Herstellung komplexer Metallnetzstrukturen, der Materialcharakterisierung, der Abscheidung katalytischer Schichten, der elektrochemischen Testung und Charakterisierung, der Modellierung elektrochemischer Systeme und mathematischen Optimierung. Als Beispielreaktion dient die Elektrocarboxylierung von Acetonitril zu Cyanessigsäure, welche an Stahl-, Nickel- und Platinnetzen untersucht wird.

Innovationen und Perspektiven: Durch die Forschung und Entwicklung in GDE4OES sollen gasförmige Reaktanden für ETOS erschlossen werden. Neben der Innovation für die konkrete Zielreaktion sollen sowohl Laborzellen wie auch Elektrodenkonzepte entwickelt werden, welche auch die Untersuchungen weiterer Reaktionen auch über die Projektgrenzen hinaus ermöglichen.

Koordinator:
Bastian Etzold (FAU Erlangen-Nürnberg) bastian.etzold@fau.de

Projektpartner:
FAU Erlangen-Nürnberg
Gaskatel Gesellschaft für Gassysteme durch Katalyse und Elektrochemie mbH
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Technische Universität Darmstadt
Umicore AG & Co. KG