title: Electrochemical Hydrogenation of Simple Ketones utilizing PEM-Technology and Electrocatalysis
Creators: name: Marth, Axel
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: EC-LOHC, LOHC, Acetone Reduktion

description: Green hydrogen generated via water electrolysis from renewable energy sources will play a role in the energy mix of the future. Nevertheless, the seasonal storage of these valuable resources remains a challenge. The possibility of chemically storing hydrogen on organic molecules in the form of liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) has been the subject of research in recent years. Nevertheless, most approaches have focused on the thermocatalytic pathways of hydrogen storage and release. In this thesis, the storage process of the acetone/isopropanol couple as a promising candidate for an electrochemical LOHC (EC-LOHC) has been scrutinized. This was done by performing a feasibility study, a determination of a Power-to-Power (PtP) efficiencies, an investigation of limiting factors, and material optimization. The feasibility study elucidated the effect of core parameters such as the concentration of acetone, the concentration of isopropanol in the acetone feed, and the temperature on the performance of the system. The PtP analysis led to the result that this EC-LOHC couple can compete with existing storage technologies while offering significant improvements. The investigation of limiting factors and determination of faradaic efficiency led to the determination of a faradaic efficiency of 72% and that mass transport issues, organic crossover, and propane formation are currently the main targets for failure-cause-centered optimization. To tackle crossover, a composite membrane with a graphene oxide interlayer was manufactured and investigated, leading to a major reduction in crossover at the cost of maximum current density. Furthermore, alkaline ketone reduction with different ketones was performed in an H-cell to investigate the influence of ketone concentration and side chain length on platinum surface coverage and its general feasibility. These experiments revealed a decreasing surface coverage of ketones with an increasing side chain length and that the alkaline acetone reduction offers faradaic efficiencies of 86% compared to 32.5% in acidic media, thus showing promise for alkaline ketone reduction.
description: Grüner Wasserstoff, erzeugt durch mit erneuerbaren Energien betriebene Wasserelektrolyse, wird im Energiemix der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Dennoch bleibt die saisonale Speicherung dieser wertvollen Ressource eine Herausforderung. Die Möglichkeit, Wasserstoff in organischen Molekülen, sogenannten flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) zu speichern, war in den letzten Jahren Gegenstand verschiedener Forschungsprojekte. Die meisten Ansätze haben sich jedoch auf thermokatalytische Wege der Wasserstoffspeicherung und -freisetzung konzentriert. In dieser Arbeit wurde der Speicherprozess des Aceton/Isopropanol- Paares, eines vielversprechende Kandidaten für einen elektrochemischen LOHC (EC-LOHC), untersucht. Dazu wurden eine Machbarkeitsstudie, eine Bestimmung der Power-to-Power (PtP)-Wirkungsgrade, eine Untersuchung der limitierenden Faktoren und eine Materialoptimierung durchgeführt. In der Machbarkeitsstudie wurde die Auswirkung von zentralen Parametern wie der Acetonkonzentration, der Isopropanolkonzentration im Acetone-Feed und der Temperatur auf die Leistung des Systems untersucht. Die PtP-Analyse führt zu dem Ergebnis, dass dieses EC-LOHC-Paar mit bestehenden Speichertechnologien konkurrieren kann und dabei deutliche Verbesserungen erlaubt. Die Untersuchung der limitierenden Faktoren und die Bestimmung des faradayschen Wirkungsgrads führten zu der Feststellung, dass der faradaysche Wirkungsgrad 72% beträgt. Zudem sind Probleme des Massentransports, des organischen Crossovers und die Propanbildung derzeit primäre Ansatzpunkte für eine auf die Fehlerursache ausgerichtete Optimierung. Um eines dieser Probleme zu bewältigen, den Crossover der organischen Moleküle, wurde eine Kompositmembran mit Graphenoxid-Zwischenschicht hergestellt und untersucht, was zu einer erheblichen Reduzierung des Crossovers auf Kosten der maximalen Stromdichte führte. Darüber hinaus wurde die alkalische Ketonreduktion in einer H-Zelle mit verschiedenen Ketonen durchgeführt, um den Einfluss der Ketonkonzentration und Seitenkettenlänge auf die Platinoberflächenbedeckung, als auch die allgemeine Machbarkeit zu untersuchen. Diese Experimente zeigten, dass die Oberflächenbedeckung von Ketonen mit zunehmender Seitenkettenlänge abnimmt und dass die alkalische Acetonreduktion einen faradayschen Wirkungsgrad von 86% im Vergleich zu 32,5% in sauren Medien aufweist, was das hohe Potenzial der alkalischen Ketonreduktion zeigt.