Inhaltliche Vorstellung des 4. Boysen-TUD-GRK - Cluster G

Elektrokatalysatoren für eine wettbewerbsfähige Wasserstoffwirtschaft

Beteiligte Disziplinen

Anorganische Chemie, Labor- und Prozesstechnik, Elektrochemie, Fachdidaktik/Erziehungswissenschaften

Motivation und Ziele von Cluster G

Die Erkenntnis, dass dem Element Wasserstoff als vielseitig einsetzbarer Energieträger eine Schlüsselrolle zum Erreichen der gesteckten Klimaziele zukommt, mündet in strategischen Konzepten der führenden Industrienationen wie z. B. der nationalen Wasserstoffstrategie der deutschen Bunderegierung oder in Strategiepapiere des US-Department of Energy (DOE) zur Weiterentwicklung von Brennstoffzellentechnologien für mobile und stationäre Anwendungen. Als wesentliche Kriterien für die Verwendbarkeit von Brennstoffzellen gelten maximale Effizienz, spezifische Leistung, Anlaufzeiten, Haltbarkeit und Kosten. Insbesondere die unzureichende Stabilität und die hohen Kosten in der Herstellung verhindern derzeit noch eine flächendeckende Markteinführung der Technologie. Einen wesentlichen Anteil an den hohen Kosten haben hierbei die Katalysatormaterialien, die notwendig sind, um die Reaktionen, die an den Elektroden ablaufen, zu begünstigen. Insbesondere die Sauerstoffreduktion an der Kathode, die nur sehr langsam verläuft, muss zwingend durch hoch-wirksame Edelmetallkatalysatoren beschleunigt werden. Zwar zeigen diese Katalysatoren eine hohe Wirksamkeit, jedoch trägt der hohe Preis der platinhaltigen Ausgangsverbindungen damit fast zur Hälfte der Produktionskosten solcher Zellen bei. Um das Potenzial von Wasserstoff als grünen Energieträger in naher Zukunft voll ausschöpfen zu können, muss die gesellschaftliche Akzeptanz für neue Technologien gegeben sein. Eine europaweit angelegte Studie aus dem Jahr 2017 ergab, dass es in Teilen der Bevölkerung zwar eine positive Wahrnehmung dafür gibt, eine Kaufbereitschaft für diese neue Technologie bislang jedoch, nicht zuletzt aufgrund des hohen Anschaffungspreises und des Zweifels an der technologischen Reife, kaum vorhanden ist. Aus diesen Befragungen geht hervor, dass die technologische Weiterentwicklung Hand in Hand mit Strategien zur Bildung der Bevölkerung und Stärkung der gesellschaftlichen Akzeptanz gehen muss.

Im Custer G sollen hochwirksame edelmetallfreie Elektrokatalysatoren entwickelt werden, welche die Basis für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der Brennstoffzellentechnologie, insbesondere für den Einsatz in AEM (Anion Exchange Membrane) Zellen, bilden. Ein besonderer Fokus der wissenschaftlichen Arbeiten soll darauf liegen, ein tiefergehendes Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen der Sauerstoffreduktion und -entwicklung an heteroatomdotierten und molekular funktionalisierten Kohlenstoffen zu gewinnen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Betrachtung der Thematik im Spannungsfeld zwischen Gesellschaft und der Erreichung der selbst gesteckten Klimaziele. Die Konzepte zur Stärkung der gesellschaftlichen Akzeptanz setzen in der Lehrpersonen- und Schülerinnen- und Schülerbildung an. Es werden neue forschungsorientierte Module zum Thema „Brennstoffzellentechnologie“ entwickelt, die als prototypische Bildungsmodule für nachhaltige Entwicklung konzipiert und in der Lehramtsausbildung verstetigt werden sollen.

Im Cluster angestrebter wissenschaftlicher Mehrwert

Das Vorhaben zielt auf die Entwicklung eines tiefergehenden Verständnisses für die an den Elektroden ablaufenden Prozesse bei der elektrokatalysierten Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen ab. Durch die Aufklärung der Zusammenhänge zwischen der Struktur veredelter Kohlenstoffmaterialien und deren katalytischer Aktivität wird ein gezieltes Materialdesign für hochwirksame Elektrokatalysatoren ermöglicht. Cluster G wird darüber hinaus mit einem Konzept für prototypische forschungsorientierte Lehrmodule ein Beitrag zur Stärkung der gesellschaftlichen Akzeptanz der Brennstoffzellentechnologie im Besonderen und des Verständnisses für die Forschung im Kontext nachhaltiger Entwicklungen im Allgemeinen leisten. Die Module haben Modellcharakter und die entwickelte Methodenkompetenz kann auf andere Lehrsysteme erweitert werden. In diesem Projekt ist die Multiplikatorfunktion hervorzuheben.

Die Teilprojekte im Einzelnen

Cluster G setzt sich aus drei Teilprojekten zusammen (TP G1 bis TP G3).

TP G1 - Experimentelle Untersuchungen zur Dotierung von Kohlenstoffmaterialien und Einfluss der funktionellen Gruppen auf die elektrokatalytische Aktivität in der kathodischen Sauerstoffreduktion zielt auf die systematische Untersuchung von heteroatomdotierten Kohlenstoffmaterialien für den Einsatz als Elektrokatalysatoren ab. Im Fokus steht vor allem ein tiefergehendes Verständnis für die Beziehungen zwischen der Struktur der funktionalisierten Kohlenstoffmaterialien (spezifische Oberflächen, Porenradienverteilung, Art, Menge und Lage der durch Dotierung eingebrachten funktionellen Gruppen) und der daraus resultierenden elektrokatalytischen Aktivität in der Sauerstoffreduktion. Das Vorhaben profitiert dabei von der gemeinsamen Expertise in Anorganischer Materialchemie und physikalischer Elektrochemie (TP G2), sowie der Operando-Spektroskopie, um durch die Strukturaufklärung auch in situ zu einem gezielten Materialdesign optimierter Katalysatormaterialien zu gelangen. Die fachliche Betreuung übernimmt die Professur für Anorganische Chemie I (Erstbetreuung Prof. Stefan Kaskel, Zweitbetreuung Dr. Julia Grothe) der Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie der TU Dresden. 

Im Rahmen des TP G2 - Funktionalisierte Kohlenstoffmaterialien und Operando-Analyse zum molekularen Verständnis elektrokatalytischer Aktivierung von Sauerstoff und Wasserstoff sollen insbesondere die kathodischen Reaktionen der Sauerstoffreduktion und der Wasserstoffevolution untersucht werden. Beide Reaktionen benötigen einen effizienten Transport von Protonen zum katalytischen Zentrum, welcher systematisch an heteroatomdotierten und molekular funktionalisierten Kohlenstoffmaterialien mittels spektroelektrochemischer Techniken untersucht werden soll. Ein spezieller Fokus liegt hierbei auf Untersuchungen in Abhängigkeit der
Porengröße. Das Vorhaben profitiert dabei von der Expertise in anorganischer Materialchemie (TP G1), welches poröse Kohlenstoffelektroden zur Verfügung stellt. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sollen didaktisch in TP G3 aufgearbeitet werden und in Form von Lehrmaterialien in die Lehrerinnen- und Lehrer- sowie Schülerinnen- und Schülerausbildung einfließen. Die fachliche Betreuung übernimmt die Professur für Elektrochemie der Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie der TU Dresden (Prof. Inez Weidinger). 

TP G3 - Bildung für nachhaltige Entwicklung und Verständnis für die Prozesshaftigkeit naturwissenschaftlich-technischer Forschung durch forschungsorientierte Lehr-Lern-Konzepte und Wissenschaftskommunikation sichern bildet in hervorragender Exemplarität Prozesse nachhaltiger Entwicklung ab,
weshalb es als Bezugspunkt für die Entwicklung prototypischer forschungsorientierter Lehrmodule für die fachwissenschaftliche Lehramtsausbildung sowie für Schülerinnen- und Schülerpraktika im Lehr-Lernlabor der TU Dresden dient. Die Module haben Modellcharakter im Sinne der Bildung für nachhaltige Entwicklung, sie dienen der Lehrerinnen- und Lehreraus- und -weiterbildung in diesem Bereich und können somit auf den clusterverbindenen Referenz-Energiepark Autarker Energiepark übertragen werden. Darüber hinaus wird ein Konzept für die projektbegleitende Wissenschaftskommunikation umgesetzt. Die fachliche Betreuung erfolgt durch die Professur für Bautechnik, Holztechnik sowie Farbtechnik und Raumgestaltung/Berufliche Didaktik der Fakultät Erziehungswissenschaften der TU Dresden (Prof. Manuela Niethammer).