Multifunktionale Elektrodenmaterialien für Energiespeicherung und -umwandlung

Abstract

In Zeiten des Klimawandels und steigender Energiepreise sind neue Technologien zur Energiespeicherung und -umwandlung wie wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien (MLB) ein intensives Forschungsfeld. Zur Kommerzialisierung von MLB werden günstige, gut verfügbare und elektrochemisch hochaktive Materialien benötigt. Aus diesem Grund ist es Ziel dieser Arbeit einen bifunktionellen Katalysator für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) zur Anwendung in wiederaufladbaren MLB zu entwickeln. An dieses Aktivmaterial an der Grenzfläche zwischen fester Luftelektrode, flüssigem Elektrolyten und gasförmiger Atmosphäre werden, neben einer hohen katalytischen ORR- und OER-Aktivität, Anforderungen bezüglich elektrischer Leitfähigkeit, chemischer Inertheit, hohe Porosität sowie ein gutes Verhältnis von Hydrophilie zu Hydrophobie gestellt. Für diese Anwendung wurden in dieser Arbeit mesoporöse Kohlenstoffe, die eine hohe Modifizierbarkeit aufweisen, erprobt. Durch den Einsatz einer stickstoffhaltigen Kohlenstoff-Vorläuferverbindung sowie den Zusatz von Übergangsmetall-Salzen wurden bifunktionelle Katalysatoren mit hohem Graphitisierungsgrad erhalten. Außerdem konnte die Synthese durch Eliminierung eines organischen Lösungsmittels vereinfacht und sicherer vollzogen werden. Um elektrochemisch aktivere Materialien zu erhalten, wurden Komposite aus mesoporösen Kohlenstoff-Materialien und Übergangsmetall-Spezies hergestellt. Die Komposite, welche eine Aktivität als bifunktioneller Katalysatoren zeigen, wurden durch Kombination der Zusätze von Übergangsmetall-Salzen weiter verbessert. Dabei blieben die entscheidenden Eigenschaften wie Porosität, Graphitisierungsgrad und Kristallinität erhalten. Die finale Aktivitätssteigerung wurde durch eine Dotierung der Komposite mit Eisen-Spezies erreicht, wodurch ein bifunktioneller Elektrokatalysator für ORR und OER, welcher in einem engen Potentialfenster betrieben werden kann, hergestellt wurde. Die elektrochemische Charakterisierung der Materialien erfolgte mit einer rotierenden Scheibenelektrode (engl.: rotating disc electrode, RDE). Für diese wurde ein Messprotokoll erarbeitet, mit welchem sich neben der ORR- und OER-Aktivität auch die elektrochemische Stabilität der aktiven Beschichtung und deren elektrischer Widerstand bestimmen lässt. Außerdem wurden die Beschichtungsparameter wie die Zusammensetzung der Beschichtungstinte und die Homogenisierungsmethode untersucht.

In times of climate change and rising energy costs new technologies for energy storage and conversion like rechargeable metal-air-batteries (MAB) are intensively studied. In order to commercialize this technologies materials with good availability and high activity are essential. For this reason, the aim of this work is to develop a bifunctional catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) in rechargeable MAB. The active material in MAB at the interface between solid air electrode, liquid electrolyte and gaseous atmosphere is required to have, besides high catalytic ORR and OER activity, sufficient electrical conductivity, chemical inertness, high porosity and a good ratio of hydrophilicity to hydrophobicity. For this application mesoporous carbons, which exhibit high modifiability, were investigated in this work. By using nitrogen-containing carbon precursor as well as the addition of transition metal salts bifunctional catalysts with a high degree of graphitization are synthesized. In addition, the synthesis was simplified and made safer by eliminating an organic solvent. In order to obtain even more electrochemically active materials, composites of mesoporous carbons and transition metal species were prepared. The composites, which are active bifunctional catalysts, were further improved by combining the added transition metal salts. In the process key properties like porosity, graphitization and crystallinity were retained. The final activity enhancement was achieved by doping the composites with iron species to produce a bifunctional electrocatalyst for ORR and OER, which can be operated in a narrow potential window. Electrochemical characterization of the materials was performed with a rotating disc electrode (RDE). A measurement protocol was developed, which can be used to determine the electrochemical stability of the material coating and its electrical resistance in addition to the ORR and OER activity. Furthermore the coating parameters such as the composition of the coating ink and the homogenization method were investigated.