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Nanomesh-Elektroden mit 100fach erhöhter Stromdichte

Zusammen mit dem Kooperationspartner KU Leuven in EnergyVille verkündet Imec heute einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Implementierung von Nanomesh-Strukturen in industriellen Hochdurchsatzprozessen für energiebezogene Anwendungen wie Elektrolyseure, Brennstoffzellen und Batterien.

Das ist eine Produktankündigung von imec. Allein der Emittent ist für den Inhalt verantwortlich.

Die Forscher haben eine 3D-Struktur aus vernetzten Nanodrähten entwickelt, die nun als freistehende Elektrode in elektrochemischen Durchflusszellen verwendet werden kann. Die in der Fachzeitschrift Materials Today Energy veröffentlichten Ergebnisse bestätigen, dass sich die Stromdichte durch den Einsatz dieser Strukturen im Vergleich zu herkömmlichen planaren Nickelelektroden um das 100fache erhöhen lässt.

Die großtechnische Produktion grünen Wasserstoffs und grüner Kohlenwasserstoffe ist für die Dekarbonisierung der Industrie unerlässlich. Derzeit gibt es zwei kommerziell verfügbare Optionen für die Wasserstoffproduktion im Megawattbereich: die klassische alkalische Wasserelektrolyse (AWE) und die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM). Beide Technologien stehen jedoch vor Hindernissen, die es zu meistern gilt, um die Wettbewerbsfähigkeit der großtechnischen Produktion grünen Wasserstoffs weiter zu verbessern.

Forscher von imec und der KU Leuven haben eine 3D-Struktur aus vernetzten Nanodrähten entwickelt. Diese Nanomesh-Strukturen vereinen eine hohe Porösität mit einer extrem großen Oberfläche, die eine Fülle von Reaktionsstellen bietet. Aufgrund ihrer einzigartigen Materialeigenschaften sind die Nanomesh-Strukturen für zahlreiche elektrochemische Anwendungen, darunter die Elektrolyse, attraktiv. Sie können durch galvanische Abscheidung hergestellt werden, ein hochskalierbarer Herstellungsprozess, der sie billiger macht als die derzeit verwendeten Metallschäume.

Bislang waren nicht-poröse Trägersubstrate erforderlich, um den hochporösen Nanomeshs eine ausreichende mechanische Stabilität zu verleihen. Um diese interessanten Nanoarchitekturen als freistehende Elektroden in elektrochemischen Durchflusszellen zu nutzen, müssen die gasförmigen Reagenzien und Produkte jedoch frei ein- und ausströmen können. Daher müssen die Nanodraht-Netzwerke von einer porösen Struktur getragen werden, die von allen Seiten zugänglich ist.

Forscher von imec veröffentlichten nun ihre Ergebnisse zu einem monolithisch integrierten Nickel-Nanomesh mit einem offenen Trägergitter. Diese verbesserte Nanomesh-Struktur gestattet gasförmigen Reagenzien und Produkten einen effektiven Ein- und Austritt aus den Reaktionsstellen. In einem Versuchsaufbau konnte gezeigt werden, dass die theoretisch verfügbare Oberfläche des Nanomeshs fast vollständig genutzt werden kann, was zu einer 100fachen Erhöhung der Stromdichte im Vergleich zur Verwendung herkömmlicher planarer Nickelelektroden führt. Die Ergebnisse bestätigen, dass die 3,5 Mikrometer dünne Nanomesh-Elektrode ein unglaubliches Potenzial für Durchsatz und Umwandlungsraten besitzt.

"Um eine groß angelegte Produktion von grünem Wasserstoff in Offshore-Windparks zu erreichen, wo nur wenig Raum zur Verfügung steht, müssen wir kompakte Elektrolyseure mit hohem Wirkungsgrad entwickeln", erklärt Bart Onsia, Business Development Manager bei imec. "Diese Ergebnisse sind ein vielversprechender Schritt in Richtung der Entwicklung neuer Elektrolyseur-Komponenten, wir werden unsere Forschung in diesem Bereich fortsetzen, um den Übergang zu einer nachhaltigeren Zukunft voranzutreiben."

Philippe Vereecken, imec-Fellow und Teilzeit-Professor an der KU Leuven: "Ich bin begeistert, dass wir unsere Nanomesh-Materialien weiter verbessern und ihr Potenzial in einem industrierelevanten Umfeld demonstrieren konnten. Für die aktuellen Demonstrationen haben wir Nickel für die Wasserstoffproduktion gewählt, ein Bereich, in dem wir mit VITO im Rahmen von Hyve zusammenarbeiten, einem belgischen Konsortium, das eine kosteneffiziente und nachhaltige Wasserstoffproduktion im Gigawattmaßstab anstrebt."

"Außerdem ermöglicht die Vielseitigkeit der Nanomesh ein viel breiteres Spektrum an Materialien und Anwendungen. So können wir beispielsweise Kupfer oder Silber für die CO2-Reduktion in Gasdiffusionselektroden verwenden", fügt Nina Planckensteiner, Marie-Curie-Postdoktorandin am imec, hinzu. "Wir freuen uns darauf, das Potenzial der Nanomeshs für eine breite Palette elektrochemischer Anwendungen weiter zu erforschen."

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2023.01.25 00:30 V20.12.1-1