Additive Herstellung von Gitterelektroden für die Entwicklung von Elektrokatalysatoren

Abstract

Die großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff und die Umstellung industrieller Prozesse auf seine Nutzung ist eine der größten Herausforderungen der industriellen Dekarbonisierung. Aufgrund der Verwendung seltener und edler Metalle bei der Herstellung von Elektrokatalysatoren ist eine großtechnische Produktion oft unwirtschaftlich und die Entwicklung neuer Elektrokatalysatoren unumgänglich. Da die Aktivität eines Elektrokatalysators von den verwendeten Materialien und der Anzahl der aktiven Stellen abhängt, haben sich Gitterstrukturen und metallische Schäume als Elektrodensubstrate sowie Beschichtungen als praktikable Ansätze zur Steigerung der Ausgangsleistung erwiesen. Außerdem bietet der Ersatz von Edelmetallkatalysatoren durch Multielementkatalysatoren, z. B. Hochentropie-Legierungen, die Möglichkeit, eine Vielzahl unterschiedlicher aktiver Stellen bereitzustellen, um eine hohe Materialaktivität bei geringeren Kosten zu erreichen.

In dieser Studie wird das pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl zur Herstellung von Gitterstrukturen unterschiedlicher Größe aus NiCr19Fe19Nb5Mo3 (Inconel® Alloy 718) verwendet. Mit einer speziell für die Herstellung von Gitterstrukturen entwickelten Belichtungsstrategie werden hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnisse erreicht. Die elektrochemischen Überspannungen der hergestellten Gitter werden für die Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen mit einem Wasserelektrolyseur im Labormaßstab bestimmt. Zusätzlich werden Messungen der Aktivität von Gitterstrukturen, die mit verschiedenen Elektrokatalysatormaterialien beschichtet sind, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine Abhängigkeit der Überspannung von der Geometrie und den Prozessparametern, die für die additive Herstellung der unbeschichteten Gitterstrukturen verwendet wurden. Beschichtete Gitterstrukturen zeigen eine erhöhte Aktivität in Abhängigkeit von Beschichtungsmaterial, Hohlraumgröße und Volumen.