title: Entwicklung eines Messaufbaus zur Einstellung des Drei-Phasen-Gebietes in Gas-Diffusions-Elektroden zur Anwendung in der CO₂-Elektrolyse
Creators: name: Römer, Melina Sophia
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Die CO₂-Elektrolyse ist eine mögliche Nutzungstechnologie von CO₂. Sie eröffnet das Potenzial Brennstoffe und Grundchemikalien auf Basis von CO₂ herzustellen und somit einen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung zu leisten. Für einen Einsatz dieser Technologie im industriellen Maßstab bestehen jedoch Herausforderungen. Um diese besser zu verstehen und vermeiden zu können, werden Untersuchungen bei industriell relevanten Bedingungen benötigt. Hierzu müssen bereits im Labor-Aufbau hohe Stromdichten (&gt;100 mA/cm²) realisiert werden. Diese können in einem Aufbau mit Gas-Diffusions-Elektrode (GDE) erreicht werden. Grund hierfür ist die geringe Diffusionsschichtdicke für CO₂ an der Elektrode, wodurch eine Stofftransportlimitierung vermieden werden kann. Problematisch ist in diesem Aufbau jedoch, dass die Versorgung des Katalysators mit CO₂ stark von der Lage des Drei-Phasen-Gebietes in der GDE abhängig ist und sich diese unter Reaktionsbedingungen durch Auftreten von Elektrobenetzung verändert. Ausgehend hiervon wurde in der vorliegenden Arbeit ein Aufbau entwickelt, in dem das Drei-Phasen-Gebiet in der GDE beeinflusst werden kann. Hierbei wurde auf das Konzept zurückgegriffen, die Flutung der Elektrode mit Elektrolyt durch Einstellen des Differenzdrucks zwischen der Gas- und der Flüssigphase einzustellen. Im vorliegenden Aufbau wurde hierzu der Gegendruck im CO₂-Kompartiment der GDE-Zelle variiert. Der Gegendruck wurde hierbei so gewählt, dass mindestens ein geringer Durchtritt von Gas durch die GDE in den flüssigen Elektrolyten erfolgt. Im Aufbau kann der Durchtritt von Gas durch GDE abhängig vom Gegendruck im CO₂-Kompartiment quantifiziert werden und so die GDE hinsichtlich des Gasdurchtritts charakterisiert werden. Anschließend kann ein Betriebspunkt, d.h. ein Gasdurchtritt für eine elektrochemische Testung ausgewählt werden. Für die elektrochemische Testung wird eine elektrochemische Zelle entwickelt, die sich für Messungen bei hohem Gasdurchtritt eignet. Der Fokus liegt hierbei auf der Messung von elektrochemischer Impedanz bei hohem Gasdurchtritt. 
Zur elektrochemischen Testung werden GDEs mit verschiedenem Gasdurchtritt hergestellt. Die Herstellung erfolgt durch Beschichtung von kommerziellen Gas-Diffusions-Schichten (GDLs), die Unterschiede im Widerstand für den Gasdurchtritt und der Benetzung zeigen. Diese GDLs werden entweder durch Sputter- oder durch Sprühbeschichtung vorbehandelt. Beim Sputtern wird eine dünne Schicht Kupfer auf die mikroporöse Schicht der GDL aufgebracht. Beim Besprühen wird eine ionomerhaltige Kohlenstoff-Tinte auf die mikroporöse Schicht der GDL aufgetragen. Diese Sprühschicht wird in ihrer Zusammensetzung variiert. Hierbei wird entweder ein Anionen-Austausch- oder ein Kationen-Austausch-Ionomer eingesetzt. Für das Anionen-Austausch-Ionomer wird eine Variation des I/C Verhältnis durchgeführt. Des Weiteren wird der Sprühschicht für eine Versuchsreihe zusätzlich ein amorpher Fluorkohlenstoff zugegeben. Die Auftragung der Aktivkomponente Kupfer erfolgt durch galvanische Abscheidung. Zur Variation der Aktivkomponente wird dem galvanischen Bad neben Kupfersulfat weitere Komponenten zugegeben, um eine Ko-Abscheidung oder eine Veränderung der abgeschiedenen Struktur zu erreichen.
Die hergestellten Elektroden werden im entwickelten Aufbau hinsichtlich ihres Gasdurchtritts untersucht. Hierbei kann abhängig von der Herstellung eine Veränderung des Gasdurchtritts nachgewiesen werden. Die elektrochemische Testung der Proben erfolgt bei unterschiedlichem Betriebspunkt, d.h. Gasdurchtritt. 
Hierbei kann zunächst beobachtet werden, dass bei identischem Elektrodentyp mit steigendem Gasdurchtritt eine Verminderung der Selektvität gegenüber der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) erreicht werden kann, die eine Konkurrenzreaktion zur CO₂-Elektrolyse darstellt. Des Weiteren wird hierbei eine Aktivierung der Elektrode beobachtet. Als Grund wird ein erhöhter Katalysatornutzungsgrad angenommen. 
Für unterschiedlich hergestellte GDEs können bei vergleichbarem Gasdurchtritt Abweichungen im Verhalten beobachtet werden: Hierbei werden veränderte Aktivitäten der Elektrode beobachtet sowie abweichende Verhältnisse von gebildeten C1- und Kopplungsprodukten im Rahmen der CO₂-Elektrolyse. Als Grund hierfür wird eine veränderte Mikroumgebung durch die Elektrodenpräparation angenommen.
Bei Variation der Aktivkomponente durch Zusätze im galvanischen Bad können ebenfalls Unterschiede in der Selektivität beobachtet werden. Diese liegen in einer vergleichbaren Größenordnung wie der Einfluss des Gasdurchtritts an einem Elektrodentyp. Der Einfluss der Vorbehandlung auf die Selektivität ist hingegen stärker ausgeprägt.