DE102015101249B4 - A method for producing an electrocatalyst for an electrode of an electrochemical cell, an electrochemical reactor and an electrocatalyst for an electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Elektrokatalysators für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle (10; 60), bei welchem auf einer Trägersubstanz (102) durch chemische Reaktion eine aktive Katalysatorsubstanz (106, 108) abgeschieden oder aufgebracht wird, wobei die aktive Katalysatorsubstanz (106, 108) mindestens ein Edelmetall aus der Gruppe Platin, Iridium, Ruthenium, Gold, Silber und Palladium ist oder enthält, wobei die aktive Katalysatorsubstanz (106, 108) durch eine wasserfreie chemische Reaktion bei Raumtemperatur auf der Trägersubstanz (102) abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägersubstanz (102) und mindestens ein Edelmetallsalz des mindestens einen Edelmetalls in einem ersten Lösungsmittel aufgelöst werden und dass die aktive Katalysatorsubstanz (106, 108) durch Reduktion des mindestens einen Edelmetallsalzes durch Zugeben eines in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der Trägersubstanz (102) abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird.Method for producing an electrocatalyst for an electrode of an electrochemical cell (10; 60), in which an active catalyst substance (106, 108) is deposited or applied to a carrier substance (102) by chemical reaction, the active catalyst substance (106, 108) is or contains at least one noble metal from the group of platinum, iridium, ruthenium, gold, silver and palladium, wherein the active catalyst substance (106, 108) is deposited on or applied to the carrier substance (102) by an anhydrous chemical reaction at room temperature, characterized in that the carrier substance (102) and at least one noble metal salt of the at least one noble metal are dissolved in a first solvent and that the active catalyst substance (106, 108) by reducing the at least one noble metal salt by adding a reducing agent dissolved in a second solvent on the Carrier substance (102) deposited or r is applied to this.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrokatalysators für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, bei welchem auf einer Trägersubstanz durch chemische Reaktion eine aktive Katalysatorsubstanz abgeschieden oder aufgebracht wird, wobei die aktive Katalysatorsubstanz mindestens ein Edelmetall aus der Gruppe Platin, Iridium, Ruthenium, Gold, Silber und Palladium ist oder enthält, wobei die aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion bei Raumtemperatur auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird.The present invention relates to a method for producing an electrocatalyst for an electrode of an electrochemical cell, in which an active catalyst substance is deposited or applied to a carrier substance by chemical reaction, the active catalyst substance at least one noble metal from the group of platinum, iridium, ruthenium, gold , Is or contains silver and palladium, the active catalyst substance being deposited on or applied to the carrier substance by an anhydrous chemical reaction at room temperature.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrokatalysator für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, wobei eine Trägersubstanz und eine durch chemische Reaktion auf der Trägersubstanz abgeschiedene oder auf diese aufgebrachte aktive Katalysatorsubstanz, wobei die aktive Katalysatorsubstanz mindestens ein Edelmetall aus der Gruppe Platin, Iridium, Ruthenium, Gold, Silber und Palladium ist oder enthält, wobei die aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion bei Raumtemperatur auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist.The present invention further relates to an electrocatalyst for an electrode of an electrochemical cell, wherein a carrier substance and an active catalyst substance deposited by chemical reaction on the carrier substance or applied to it, the active catalyst substance at least one noble metal from the group of platinum, iridium, ruthenium, gold , Is or contains silver and palladium, the active catalyst substance being deposited or applied to the carrier substance by an anhydrous chemical reaction at room temperature.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Katalysator-beschichtete Membran umfassend eine Ionenaustauschmembran, welche mindestens einseitig, insbesondere beidseitig, mit einem Elektrokatalysator beschichtet ist.The invention also relates to a catalyst-coated membrane comprising an ion exchange membrane which is coated with an electrocatalyst at least on one side, in particular on both sides.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit umfassend eine Ionenaustauschmembran, welche mindestens einseitig, insbesondere beidseitig, mit einem Elektrokatalysator beschichtet ist.In addition, the invention relates to a membrane-electrode unit comprising an ion exchange membrane which is coated with an electrocatalyst on at least one side, in particular on both sides.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, welche Elektrode mindestens eine Katalysatorschicht umfasst.The present invention also relates to an electrode for an electrochemical cell, which electrode comprises at least one catalyst layer.
Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch einen elektrochemischen Reaktor Zelle, insbesondere in Form einer elektrochemischen Zelle, umfassend mindestens zwei Elektroden.And finally, the present invention also relates to an electrochemical reactor cell, in particular in the form of an electrochemical cell, comprising at least two electrodes.
Verfahren, Elektrokatalysatoren, Katalysator-beschichtete Membranen, Membran-Elektroden-Einheiten, Elektroden und elektrochemische Reaktoren der eingangs beschriebenen Art sind in vielfältiger Weise bekannt. Insbesondere elektrochemische Reaktoren, welche ausgebildet sind zur Durchführungen einer elektrochemischen Reaktion und mindestens zwei Elektroden umfassen, kommen in vielfältiger Form zum Einsatz. So gewinnen beispielsweise elektrochemische Reaktoren in Form von elektrochemischen Zellen, insbesondere hocheffiziente Brennstoffzellen und Elektrolyseure, aufgrund der in Deutschland beschlossenen Energiewende zunehmend an Bedeutung. Die Hauptreaktion an der Anode einer Brennstoffzelle ist die Oxidation des Wasserstoffs (HOR - „Hydrogen Oxidation Reaction“) und bei einem Elektrolyseur die Sauerstoffentwicklung (OER - „Oxygen Evolution Reaction“). An der Katode der Brennstoffstoffzelle wird Sauerstoff reduziert (ORR - „Oxidation Reduction Reaction“) und bei der Elektrolyse Wasserstoff entwickelt (HER - „Hydrogen Evolution Reaction“). Für alle genannten Reaktionen werden bislang Elektrokatalysatoren aus reinem Edelmetall oder zumindest mit einem sehr hohen Edelmetallanteil verwendet. Insbesondere kommen Platin und Iridium zum Einsatz. Die Kosten solcher Elektrokatalysatoren sind dementsprechend hoch.Processes, electrocatalysts, catalyst-coated membranes, membrane-electrode assemblies, electrodes and electrochemical reactors of the type described above are known in many ways. In particular, electrochemical reactors, which are designed to carry out an electrochemical reaction and comprise at least two electrodes, are used in a wide variety of forms. For example, electrochemical reactors in the form of electrochemical cells, especially highly efficient fuel cells and electrolyzers, are becoming increasingly important due to the energy transition that has been decided in Germany. The main reaction at the anode of a fuel cell is the oxidation of hydrogen (HOR - "Hydrogen Oxidation Reaction") and in an electrolyser the evolution of oxygen (OER - "Oxygen Evolution Reaction"). Oxygen is reduced at the cathode of the fuel cell (ORR - "Oxidation Reduction Reaction") and hydrogen is developed during electrolysis (HER - "Hydrogen Evolution Reaction"). So far, electrocatalysts made of pure noble metal or at least with a very high proportion of noble metal have been used for all of the reactions mentioned. In particular, platinum and iridium are used. The costs of such electrocatalysts are correspondingly high.
Aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren, elektrochemische Reaktoren, Katalysator-beschichtete Membranen, Membran-Elektroden-Einheiten, Elektroden und Elektrokatalysatoren der eingangs beschriebenen Art kostengünstiger auszubilden.It is therefore an object of the present invention to design processes, electrochemical reactors, catalyst-coated membranes, membrane-electrode assemblies, electrodes and electrocatalysts of the type described at the outset in a more cost-effective manner.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Trägersubstanz und mindestens ein Edelmetallsalz des mindestens einen Edelmetalls in einem ersten Lösungsmittel aufgelöst werden und dass die aktive Katalysatorsubstanz durch Reduktion des mindestens einen Edelmetallsalzes durch Zugeben eines in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird.This object is achieved according to the invention in a method of the type described above in that the carrier substance and at least one noble metal salt of the at least one noble metal are dissolved in a first solvent and that the active catalyst substance by reducing the at least one noble metal salt by adding one dissolved in a second solvent Reducing agent is deposited on the carrier substance or applied to it.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es insbesondere, Elektrokatalysatoren herzustellen, deren katalytische Aktivität mit herkömmlichen bekannten Elektrokatalysatoren vergleichbar ist, welche jedoch eine deutlich geringere Menge an Edelmetallen enthalten. Dies wird insbesondere durch den Einsatz einer oder mehrerer Trägersubstanzen ermöglicht, durch welche eine aktive Oberfläche des Elektrokatalysators vergrößert wird, ohne die Menge an Edelmetallen zu erhöhen. Im Gegenteil: Die Trägersubstanz ermöglicht die Anlagerung des mindestens einen Edelmetalls, so dass trotz verringertem Edelmetallanteil eine vergleichbare katalytische Aktivität erreichbar ist, was einer Erhöhung der Leistungsdichte des Edelmetalls gleichkommt. Damit einhergehend ist eine signifikante Kostenreduktion, da beispielsweise beim Einsatz von Iridium im Vergleich zu Elektrokatalysatoren, die aus reinem Iridium bestehen, nur noch ein deutlich geringerer Anteil an Iridium erforderlich ist, um dieselbe katalytische Aktivität zu erreichen. Gemäß der Erfindung wird die aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion bei Raumtemperatur auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht. Eine chemische Reaktion bei Raumtemperatur durchzuführen bedeutet insbesondere einen deutlich geringeren Herstellungsaufwand als beispielsweise das Aufbringen einer Katalysatorschicht auf eine Trägerplatte mittels thermischen Spritzen. Auf besonders einfache Weise herstellen lässt sich der Elektrokatalysator dadurch, dass die Trägersubstanz und mindestens ein Edelmetallsalz, insbesondere ein Chlorsalz, des mindestens einen Edelmetalls in einem ersten Lösungsmittel aufgelöst werden und dass die aktive Katalysatorsubstanz durch Reduktion des mindestens einen Edelmetallsalzes durch Zugeben eines in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird. Als Reduktionsmittel kann beispielsweise Natriumborhydrid (NaBH4) eingesetzt werden. Die beschriebene Vermischung zweier Lösungen stellt eine einfache Herstellungsmethode des Elektrokatalysators dar.The method proposed according to the invention makes it possible in particular to produce electrocatalysts whose catalytic activity is comparable with conventional known electrocatalysts, but which contain a significantly smaller amount of noble metals. This is made possible in particular through the use of one or more carrier substances, through which an active surface of the electrocatalyst is increased, without increasing the amount of precious metals. On the contrary: the carrier substance enables the at least one noble metal to accumulate, so that a comparable catalytic activity can be achieved despite the reduced noble metal content, which is equivalent to an increase in the power density of the noble metal. This is accompanied by a significant reduction in costs, since, for example, when using iridium, compared to electrocatalysts that consist of pure iridium, only a significantly lower proportion of iridium is required to achieve the same catalytic activity. According to the invention, the active catalyst substance is deposited or applied to the carrier substance by an anhydrous chemical reaction at room temperature. Carrying out a chemical reaction at room temperature means, in particular, a significantly lower production effort than, for example, applying a catalyst layer to a carrier plate by means of thermal spraying. The electrocatalyst can be produced in a particularly simple manner in that the carrier substance and at least one noble metal salt, in particular a chlorine salt, of the at least one noble metal are dissolved in a first solvent and that the active catalyst substance is dissolved by reducing the at least one noble metal salt by adding one in a second Solvent dissolved reducing agent is deposited on the carrier substance or applied to this. Sodium borohydride (NaBH 4 ), for example, can be used as the reducing agent. The described mixing of two solutions represents a simple manufacturing method for the electrocatalyst.
Vorteilhaft ist es, wenn zur Ausbildung eines geträgerten Nanokatalysators die aktive Katalysatorsubstanz in Form von Nanopartikeln auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird. Insbesondere kann auch die Trägersubstanz in Form von Nanoartikeln bereitgestellt werden, so dass insgesamt eine deutliche Vergrößerung der aktiven Oberfläche des Elektrokatalysators erreicht werden kann, und zwar ohne die Menge des eingesetzten Edelmetalls zu erhöhen.It is advantageous if, in order to form a supported nanocatalyst, the active catalyst substance is deposited in the form of nanoparticles on the support substance or applied to it. In particular, the carrier substance can also be provided in the form of nano-articles, so that overall a significant increase in the active surface of the electrocatalyst can be achieved without increasing the amount of noble metal used.
Vorzugsweise wird die aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion unter Schutzgasatmosphäre auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht. Beispielsweise kann als Schutzgas Argon zum Einsatz kommen.The active catalyst substance is preferably deposited or applied to the carrier substance by an anhydrous chemical reaction under a protective gas atmosphere. For example, argon can be used as the protective gas.
Vorzugsweise wird als erstes und/oder zweites Lösungsmittel ein Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoff-Basis, insbesondere wasserfreies Ethanol, eingesetzt. Ethanol stellt ein umweltfreundliches Lösungsmittel dar und ist kostengünstig verfügbar. Insbesondere dann, wenn sowohl die Trägersubstanz als auch das mindestens eine Edelmetallsalz im selben Lösungsmittel gelöst werden, kann auf die Bereitstellung eines zweiten Lösungsmittels verzichtet werden. Beispielsweise kann als erstes und/oder zweites Lösungsmittel auch Xylen eingesetzt werden.A hydrocarbon-based solvent, in particular anhydrous ethanol, is preferably used as the first and / or second solvent. Ethanol is an environmentally friendly solvent and is available at low cost. In particular when both the carrier substance and the at least one noble metal salt are dissolved in the same solvent, the provision of a second solvent can be dispensed with. For example, xylene can also be used as the first and / or second solvent.
Um eine Oberflächenaktivität bei der Reaktion zu verbessern, ist es günstig, wenn im ersten Lösungsmittel vor dem Auflösen der Trägersubstanz ein Tensid, insbesondere ein kationisches Tensid, aufgelöst wird.In order to improve a surface activity during the reaction, it is advantageous if a surfactant, in particular a cationic surfactant, is dissolved in the first solvent before the carrier substance is dissolved.
Vorzugsweise wird als kationisches Tensid Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) eingesetzt. Dieses Tensid wirkt insbesondere oberflächenaktiv und verhindert, dass bei der durchgeführten Reaktion Nanopartikel der Trägersubstanz agglomerieren und so eine Oberfläche zum Abscheiden des mindestens einen Edelmetalls minimieren.Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) is preferably used as the cationic surfactant. This surfactant has a particularly surface-active effect and prevents nanoparticles of the carrier substance from agglomerating during the reaction carried out and thus minimizing a surface for the deposition of the at least one noble metal.
Günstig ist es, wenn aus der Trägersubstanz und dem ersten Lösungsmittel eine erste Lösung hergestellt wird, wenn aus dem mindestens einen Edelmetallsalz und dem zweiten Lösungsmittel eine zweite Lösung hergestellt wird und wenn die erste und die zweite Lösung vor dem Zugeben des Reduktionsmittels gemischt werden. Auf diese Weise kann mehr als eine homogene Durchmischung der Trägersubstanz und der Edelmetallionen in der Lösung vor der Reduktion der Edelmetallionen erreicht werden.It is favorable if a first solution is produced from the carrier substance and the first solvent, if a second solution is produced from the at least one noble metal salt and the second solvent, and if the first and second solutions are mixed before adding the reducing agent. In this way, more than homogeneous mixing of the carrier substance and the noble metal ions in the solution can be achieved before the noble metal ions are reduced.
Um den Edelmetallanteil im Elektrokatalysator weiter zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn der aktiven Katalysatorsubstanz ferner mindestens ein Übergangsmetall zugemischt wird. Beispielsweise kann dies bei der Durchführung der chemischen Reaktion oder auch nach Reduktion des mindestens einen Edelmetallsalzes erfolgen. Insbesondere kann dies durch eine entsprechende Behandlung mit einem Übergangsmetallsalz in saurer Lösung erfolgen, die mit der Katalysatorsubstanz, die bis zu diesem Zeitpunkt hergestellt wurde, vermischt wird.In order to further reduce the noble metal content in the electrocatalyst, it is advantageous if at least one transition metal is also added to the active catalyst substance. For example, this can take place when the chemical reaction is carried out or after reduction of the at least one noble metal salt. In particular, this can be done by a corresponding treatment with a transition metal salt in an acidic solution, which is mixed with the catalyst substance that has been produced up to this point in time.
Vorteilhaft ist es, wenn als das mindestens eine Übergangsmetall ein Metall aus der 4. Nebengruppe (Titangruppe) oder der 5. Nebengruppe (Vanadiumgruppe) des Periodensystems der Elemente zugemischt wird. Derartige Übergangsmetalle sind deutlich kostengünstiger als Edelmetalle, können diese aber bei einem wie beschrieben hergestellten Elektrokatalysator ersetzen, ohne dass die elektrochemische Aktivität der Katalysatorsubstanz verringert wird.It is advantageous if a metal from the 4th subgroup (titanium group) or the 5th subgroup (vanadium group) of the Periodic Table of the Elements is added as the at least one transition metal. Such transition metals are significantly cheaper than noble metals, but can replace them in an electrocatalyst prepared as described without the electrochemical activity of the catalyst substance being reduced.
Insbesondere ist es günstig, wenn als das mindestens eine Übergangsmetall Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und/oder Tantal zugemischt wird. Auf diese Weise lassen sich mit den genannten Übergangsmetallen in Verbindung mit dem mindestens einen eingesetzten Edelmetall Legierungen ausbilden, die durch die Trägersubstanz geträgert werden. Dadurch lassen sich hohe aktive Oberflächen erzeugen, die in ihrer elektrochemischen Aktivität reinen Edelmetallen in nichts nachstehen.It is particularly advantageous if titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium and / or tantalum are added as the at least one transition metal. In this way, with the transition metals mentioned in conjunction with the at least one noble metal used, alloys can be formed which are supported by the carrier substance be carried. In this way, high active surfaces can be generated that are in no way inferior to pure precious metals in terms of their electrochemical activity.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass als aktive Katalysatorsubstanz Iridium (Ir), Iridium-Vanadium (IrV), Platin-Iridium (PtIr) oder Platin-Iridium-Vanadium (PtIrV) hergestellt wird. Alle diese Katalysatorsubstanzen werden zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Elektrokatalysators auf einer Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht.According to a further preferred variant of the method according to the invention it can be provided that iridium (Ir), iridium-vanadium (IrV), platinum-iridium (PtIr) or platinum-iridium-vanadium (PtIrV) is produced as the active catalyst substance. To form the electrocatalyst according to the invention, all of these catalyst substances are deposited on a carrier substance or applied to it.
Um das Durchführen der chemischen Reaktion zu verbessern und insgesamt eine möglichst hohe elektrochemische Oberfläche des Elektrokatalysators zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Trägersubstanz in Pulverform eingesetzt wird. Insbesondere kann das Pulver Partikel der Trägersubstanz im Nanometerbereich umfassen. Vorzugsweise liegt eine Größe der Nanopartikel der Trägersubstanz in einem Bereich von etwa 10 nm bis 500 nm, insbesondere etwa 50 nm.In order to improve the performance of the chemical reaction and overall to achieve the highest possible electrochemical surface of the electrocatalyst, it is advantageous if the carrier substance is used in powder form. In particular, the powder can comprise particles of the carrier substance in the nanometer range. The size of the nanoparticles of the carrier substance is preferably in a range from approximately 10 nm to 500 nm, in particular approximately 50 nm.
Um den Einsatz des Elektrokatalysators in elektrochemischen Zellen oder Reaktoren zu verbessern, ist es günstig, wenn eine hochleitfähige und/oder korrosionsbeständige Trägersubstanz eingesetzt wird. Insbesondere bei häufig zum Einsatz kommenden sauren Elektrolyten kann so die Lebensdauer des Elektrokatalysators signifikant verlängert werden.In order to improve the use of the electrocatalyst in electrochemical cells or reactors, it is advantageous if a highly conductive and / or corrosion-resistant carrier substance is used. In particular with acidic electrolytes that are frequently used, the service life of the electrocatalyst can thus be significantly extended.
Vorzugsweise wird eine Trägersubstanz eingesetzt, welche Titan und/oder Sauerstoff und/oder Iridium und/oder Antimon und/oder Zinn und/oder ein Metall und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Gold und/oder eine Elektrokeramik ist oder enthält. Derartige Trägersubstanzen, insbesondere auch Mischungen der angegebenen Stoffe, eignen sich hervorragend für die Ausbildung von Elektrokatalysatoren mit einer hohen katalytischen Aktivität und einem geringen Edelmetallanteil.A carrier substance is preferably used which is titanium and / or oxygen and / or iridium and / or antimony and / or tin and / or a metal and / or silicon and / or carbon and / or boron and / or gold and / or an electroceramic is or contains. Such carrier substances, in particular mixtures of the specified substances, are outstandingly suitable for the formation of electrocatalysts with a high catalytic activity and a low noble metal content.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Trägersubstanz Titansuboxid (Ti4O7) oder Iridium in der Modifikation Ir-Black oder Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Titan-Metalloxid (Ti1-xMxO2 mit M=W, Nb, Mo) oder Bor dotiertes Siliziumkarbid (SiC: B) oder Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO2:F) oder Gold (Au) eingesetzt wird. Insbesondere Titansuboxid hat hervorragende Eigenschaften, die das Abscheiden von Edelmetallen auf der Trägersubstanz ermöglichen.It is particularly advantageous if titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) or iridium in the modification Ir-Black or antimony-tin oxide (ATO) or titanium metal oxide (Ti 1-x M x O 2 with M = W, Nb, Mo) or boron-doped silicon carbide (SiC: B) or fluorine-doped tin oxide (SnO 2 : F) or gold (Au) is used. Titanium suboxide in particular has excellent properties that enable precious metals to be deposited on the substrate.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Elektrokatalysator der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die aktive Katalysatorsubstanz durch Reduktion mindestens eines mit der Trägersubstanz in einem ersten Lösungsmittel aufgelösten Edelmetallsalzes des mindestens einen Edelmetalls durch Zugeben eines in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist.The object set out at the beginning is also achieved according to the invention in an electrocatalyst of the type described at the outset in that the active catalyst substance is deposited on the carrier substance by reducing at least one noble metal salt of the at least one noble metal dissolved in a first solvent with the carrier substance by adding a reducing agent dissolved in a second solvent deposited or applied to them.
Wie bereits oben beschrieben lassen sich solche Elektrokatalysatoren mit relativ geringem Aufwand und umweltfreundlich herstellen. Zudem sind die Kosten solcher Elektrokatalysatoren im Vergleich zu herkömmlichen Elektrokatalysatoren, die überwiegend aus Edelmetallen oder ganz aus Edelmetallen bestehen, deutlich geringer, ohne eine Einbuße der katalytischen Aktivität in Kauf nehmen zu müssen. Vorteilhaft ist es, dass die aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion bei Raumtemperatur auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist. Ein solcher Elektrokatalysator lässt sich mit relativ geringem apparativen Aufwand und kostengünstig herstellen. Auf besonders einfache Weise herstellen lässt sich der Elektrokatalysator dadurch, dass die aktive Katalysatorsubstanz durch Reduktion mindestens eines mit der Trägersubstanz in einem ersten Lösungsmittel aufgelösten Edelmetallsalzes des mindestens einen Edelmetalls durch Zugeben eines in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist. Als Reduktionsmittel kann beispielsweise Natriumborhydrid (NaBH4) eingesetzt werden. Die beschriebene Vermischung zweier Lösungen stellt eine einfache Herstellungsmethode des Elektrokatalysators dar.As already described above, such electrocatalysts can be produced with relatively little effort and in an environmentally friendly manner. In addition, the costs of such electrocatalysts are significantly lower compared to conventional electrocatalysts, which consist predominantly of noble metals or entirely of noble metals, without having to accept a loss of catalytic activity. It is advantageous that the active catalyst substance is deposited on the carrier substance or applied to it by an anhydrous chemical reaction at room temperature. Such an electrocatalyst can be produced inexpensively and with relatively little expenditure on equipment. The electrocatalyst can be produced in a particularly simple manner in that the active catalyst substance is deposited on or applied to the carrier substance by reducing at least one noble metal salt of the at least one noble metal dissolved with the carrier substance in a first solvent by adding a reducing agent dissolved in a second solvent . Sodium borohydride (NaBH 4 ), for example, can be used as the reducing agent. The described mixing of two solutions represents a simple manufacturing method for the electrocatalyst.
Günstig ist es, wenn der Elektrokatalysator in Form eines geträgerten Nanokatalysators ausgebildet ist, bei welchem die aktive Katalysatorsubstanz in Form von Nanopartikeln auf der Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist. Ein solcher Elektrokatalysator weist eine hohe aktive Oberfläche auf. Insbesondere kann auch die Trägersubstanz in Form von Nanopartikeln zur Ausbildung des Elektrokatalysators eingesetzt werden, wodurch eine aktive Oberfläche des Elektrokatalysators weiter erhöht werden kann. Bei gleicher Edelmetallmenge weist ein solcher Elektrokatalysator eine deutlich verbesserte Leistungsdichte auf, da für eine vergleichbare katalytische Aktivität deutlich geringere Mengen an Edelmetallen eingesetzt werden müssen.It is favorable if the electrocatalyst is designed in the form of a supported nanocatalyst, in which the active catalyst substance is deposited on the carrier substance in the form of nanoparticles or applied to it. Such an electrocatalyst has a high active surface. In particular, the carrier substance in the form of nanoparticles can also be used to form the electrocatalyst, whereby an active surface area of the electrocatalyst can be increased further. With the same amount of noble metal, such an electrocatalyst has a significantly improved power density, since significantly smaller amounts of noble metals have to be used for a comparable catalytic activity.
Um die Menge des eingesetzten Edelmetalls weiter zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn die aktive Katalysatorsubstanz ferner mindestens ein Übergangsmetall enthält.In order to further reduce the amount of noble metal used, it is advantageous if the active catalyst substance also contains at least one transition metal.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Übergangsmetall ein Metall aus der 4. Nebengruppe (Titangruppe) oder der 5. Nebengruppe (Vanadiumgruppe) des Periodensystems der Elemente. Derartige Übergangsmetalle sind im Vergleich zu Edelmetallen deutlich kostengünstiger und erlauben die Ausbildung von Legierungen mit Edelmetallen, insbesondere auch auf Trägersubstanzen, und zwar sowohl auf Metallen und metallischen Legierungen als auch auf Keramiken, insbesondere Elektrokeramiken.The at least one transition metal is preferably a metal from the 4th subgroup (titanium group) or the 5th subgroup (vanadium group) of the Periodic Table of the Elements. Such transition metals are compared to Precious metals are significantly cheaper and allow alloys to be formed with precious metals, in particular also on carrier substances, both on metals and metallic alloys and on ceramics, in particular electroceramics.
Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Übergangsmetall Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal ist. Derartige Metalle sind im Vergleich zu Edelmetallen besonders günstig und ermöglichen eine optimale Legierung mit Edelmetallen und entsprechenden Trägersubstanzen.It is advantageous if the at least one transition metal is titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium or tantalum. Such metals are particularly cheap compared to precious metals and enable an optimal alloy with precious metals and corresponding carrier substances.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die aktive Katalysatorsubstanz Iridium (Ir), Iridium-Vanadium (IrV), Platin-Iridium (PtIr) oder Platin-Iridium-Vanadium (PtIrV) ist. Derartige Katalysatorsubstanzen auf einer entsprechenden Trägersubstanz gestatten es insbesondere, einen Elektrokatalysator mit einem deutlich verringerten Anteil an Edelmetallen auszubilden, und zwar ohne signifikante Einbußen bei der katalytischen Aktivität.According to a further preferred embodiment of the invention it can be provided that the active catalyst substance is iridium (Ir), iridium-vanadium (IrV), platinum-iridium (PtIr) or platinum-iridium-vanadium (PtIrV). Such catalyst substances on a corresponding carrier substance make it possible in particular to form an electrocatalyst with a significantly reduced proportion of noble metals, to be precise without significant losses in the catalytic activity.
Besonders kostengünstig herstellen lässt sich der Elektrokatalysator, wenn die aktive Katalysatorsubstanz durch eine nasschemische Reaktion bei Raumtemperatur auf der Trägersubstanz abgeschieden ist. Eine nasschemische Reaktion, insbesondere wasserfrei, ermöglicht eine einfache Handhabung zur Herstellung des Elektrokatalysators. Ferner wird durch die Abwesenheit von Wasser eine Oxidation des Katalysators sowie eine Agglomerierung vermieden und Reaktionskinetiken reduziert.The electrocatalyst can be manufactured particularly inexpensively if the active catalyst substance is deposited on the carrier substance by a wet chemical reaction at room temperature. A wet chemical reaction, in particular anhydrous, enables simple handling for the production of the electrocatalyst. Furthermore, the absence of water avoids oxidation of the catalyst and agglomeration and reduces reaction kinetics.
Um eine möglichst große aktive Oberfläche des Elektrokatalysators zu erzeugen, ist es günstig, wenn die Trägersubstanz pulverförmig ist. Insbesondere kann es sich bei der Trägersubstanz um ein Pulver mit Partikeln handeln, welche eine Größe im Nanometerbereich aufweisen. Insbesondere können die Partikel eine Größe in einem Bereich von 10 nm bis 800 nm aufweisen, insbesondere in einem Bereich von 50 nm bis etwa 400 nm.In order to generate the largest possible active surface of the electrocatalyst, it is advantageous if the carrier substance is in powder form. In particular, the carrier substance can be a powder with particles which have a size in the nanometer range. In particular, the particles can have a size in a range from 10 nm to 800 nm, in particular in a range from 50 nm to approximately 400 nm.
Um die katalytische Aktivität des Elektrokatalysators zu optimieren, ist es vorteilhaft, wenn die Trägersubstanz hochleitfähig und/oder korrosionsbeständig ist. Insbesondere bei Verwendung von sauren und alkalischen Elektrolyten ist eine hohe Korrosionsbeständigkeit wünschenswert.In order to optimize the catalytic activity of the electrocatalyst, it is advantageous if the carrier substance is highly conductive and / or corrosion-resistant. A high level of corrosion resistance is particularly desirable when using acidic and alkaline electrolytes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Trägersubstanz Titan und/oder Sauerstoff und/oder Iridium und/oder Antimon und/oder Zinn und/oder ein Metall und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Gold und/oder eine Elektrokeramik ist oder enthält. Mit den genannten Stoffen lassen sich insbesondere hochleitfähige und/oder korrosionsbeständige Pulver herstellen, die mit einer aktiven Katalysatorsubstanz versehen werden können.According to a further preferred embodiment of the invention it can be provided that the carrier substance titanium and / or oxygen and / or iridium and / or antimony and / or tin and / or a metal and / or silicon and / or carbon and / or boron and / or gold and / or an electroceramic is or contains. In particular, highly conductive and / or corrosion-resistant powders, which can be provided with an active catalyst substance, can be produced with the substances mentioned.
Besonders gute katalytische Aktivitäten lassen sich erreichen, wenn die Trägersubstanz Titansuboxid (Ti4O7) oder Iridium in der Modifikation Ir-Black oder Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Titan-Metalloxid (Ti1-xMxO2 mit M= W, Nb, Mo) oder Bor dotiertes Siliziumkarbid (SiC: B) oder Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO2:F) oder Gold (Au) ist. Insbesondere Titansuboxid hat hervorragende Eigenschaften, die das Abscheiden von Edelmetallen auf der Trägersubstanz ermöglichen.Particularly good catalytic activities can be achieved if the carrier substance is titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) or iridium in the modification Ir-Black or antimony-tin oxide (ATO) or titanium-metal oxide (Ti 1-x M x O 2 with M = W, Nb, Mo) or boron-doped silicon carbide (SiC: B) or fluorine-doped tin oxide (SnO 2 : F) or gold (Au). Titanium suboxide in particular has excellent properties that enable precious metals to be deposited on the substrate.
Ferner wird die eingangs gestellte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren zur Herstellung von Katalysator-beschichteten Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten für elektrochemische Zellen, nämlich für Elektrolyseure, weiter insbesondere Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure.Furthermore, the object set out at the beginning is achieved according to the invention by using one of the electrocatalysts described above for the production of catalyst-coated membranes and membrane-electrode units for electrochemical cells, namely for electrolysers, further in particular ion exchange membrane water electrolysers.
Auf diese Weise lassen sich insbesondere leistungsstarke Katalysator-beschichtete Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten kostengünstig herstellen.In particular, high-performance, catalyst-coated membranes and membrane-electrode units can be manufactured inexpensively in this way.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Katalysator-beschichteten Membran der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektrokatalysator in Form eines der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren ausgebildet ist.The object set at the beginning is also achieved according to the invention in a catalyst-coated membrane of the type described at the outset in that the electrocatalyst is designed in the form of one of the electrocatalysts described above.
Eine solche Katalysator-beschichtete Membran weist die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektrokatalysatoren beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere kann sie im Vergleich zu herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheiten deutlich kostengünstiger ausgebildet werden.Such a catalyst-coated membrane has the advantages described above in connection with preferred embodiments of electrocatalysts. In particular, it can be made significantly more cost-effective than conventional membrane electrode units.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Membran-Elektroden-Einheit der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektrokatalysator in Form eines der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren ausgebildet ist.The object set at the beginning is also achieved according to the invention in a membrane-electrode unit of the type described at the outset in that the electrocatalyst is designed in the form of one of the electrocatalysts described above.
Eine solche Membran-Elektroden-Einheit weist die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektrokatalysatoren beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere kann sie im Vergleich zu herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheiten deutlich kostengünstiger ausgebildet werden.Such a membrane-electrode unit has the advantages described above in connection with preferred embodiments of electrocatalysts. In particular, it can be made significantly more cost-effective than conventional membrane electrode units.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Elektrode der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Katalysatorschicht einen der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren umfasst oder durch einen der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren gebildet ist.The object set at the beginning is also used in the case of an electrode described type solved according to the invention in that the at least one catalyst layer comprises one of the electrocatalysts described above or is formed by one of the electrocatalysts described above.
Eine solche Elektrode weist die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektrokatalysatoren beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere kann sie im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden deutlich kostengünstiger ausgebildet werden.Such an electrode has the advantages described above in connection with preferred embodiments of electrocatalysts. In particular, it can be made significantly more cost-effective than conventional electrodes.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Katalysatorschicht in Form einer anodischen oder kathodischen Katalysatorschicht ausgebildet ist. So lassen sich insbesondere Katalysatorschichten von Anoden und Kathoden elektrochemischer Zellen oder Reaktoren ausbilden.The at least one catalyst layer is preferably designed in the form of an anodic or cathodic catalyst layer. In this way, in particular, catalyst layers of anodes and cathodes of electrochemical cells or reactors can be formed.
Insbesondere ist es günstig, wenn die Elektrode in Form einer Anode für einen Wasserelektrolyseur ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich dabei um einen Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur, beispielsweise in Form eines Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs, handeln. Mit einer solchen Elektrode lässt sich Wasser deutlich kostengünstiger in seine Bestandteile Wassersoff und Sauerstoff zerlegen.It is particularly favorable if the electrode is designed in the form of an anode for a water electrolyzer. In particular, it can be an ion exchange membrane water electrolyser, for example in the form of a proton exchange membrane water electrolyser. With such an electrode, water can be broken down into its constituent parts hydrogen and oxygen much more cost-effectively.
Ferner ist es günstig, wenn die Elektrode in Form einer Kathode für eine Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle handeln, beispielsweise in Form einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Eine solche erfindungsgemäß vorgeschlagene Elektrode ist im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden deutlich kostengünstiger herzustellen.It is also advantageous if the electrode is designed in the form of a cathode for a fuel cell. In particular, it can be an ion exchange membrane fuel cell, for example in the form of a proton exchange membrane fuel cell. Such an electrode proposed according to the invention is significantly more cost-effective to produce than conventional electrodes.
Um insbesondere kompakte elektrochemische Zellen und Reaktoren ausbilden zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode einen Elektrodenträger in Form einer Bipolarplatte umfasst. Diese kann beispielsweise aus einem geeigneten Metall gebildet sein und Gasleitungskanäle aufweisen, um beim Einsatz der elektrochemischen Zelle gebildete Gase abzuleiten oder dieser zugeführter Gase zu den Elektrokatalysatoren zu leiten.In order to be able to form compact electrochemical cells and reactors in particular, it is advantageous if the electrode comprises an electrode carrier in the form of a bipolar plate. This can, for example, be formed from a suitable metal and have gas ducts in order to divert gases formed when the electrochemical cell is used or to conduct gases supplied to the electrocatalysts.
Um einen Durchtritt gebildeter Gase oder das Zusammenführen derselben bei elektrochemischen Reaktoren und Zellen zu verbessern, ist es günstig, wenn die Elektrode eine auf dem Elektrodenträger aufgebrachte Gasdiffusionsschicht umfasst.In order to improve the passage of formed gases or the merging of the same in electrochemical reactors and cells, it is advantageous if the electrode comprises a gas diffusion layer applied to the electrode carrier.
Um eine Reaktion der elektrochemischen Zelle zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht aufgebracht ist. Beispielsweise können in einer elektrochemischen Zelle oder einem elektrochemischen Reaktor zwei solche Elektroden zusammengefügt werden, wobei sie durch eine Protonenaustauschmembran voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten können dann auf beiden Seiten einer Protonenaustauschmembran Katalysatorschichten ausgebildet sein, die wiederum jeweils durch eine Gasdiffusionsschicht von einem Elektrodenträger getrennt sind.In order to improve a reaction of the electrochemical cell, it is advantageous if the at least one catalyst layer is applied to the gas diffusion layer. For example, two such electrodes can be joined together in an electrochemical cell or an electrochemical reactor, wherein they are separated from one another by a proton exchange membrane. In other words, catalyst layers can then be formed on both sides of a proton exchange membrane, which in turn are each separated from an electrode carrier by a gas diffusion layer.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem elektrochemischen Reaktor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine der zwei Elektroden in Form einer der oben beschriebenen vorteilhaften Elektroden ausgebildet ist.The object set at the beginning is also achieved according to the invention in an electrochemical reactor of the type described at the beginning in that at least one of the two electrodes is designed in the form of one of the advantageous electrodes described above.
Eine solcher elektrochemischer Reaktor ist im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen Zellen deutlich kostengünstiger, da die benötigte Menge an Edelmetallen signifikant verringert ist.Such an electrochemical reactor is significantly more cost-effective than conventional electrochemical cells, since the amount of noble metals required is significantly reduced.
Günstig ist es, wenn der elektrochemische Reaktor in Form eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs, einer Redox-Flussbatterie, eines elektrochemischen Reaktors zur Kohlenstoffdioxid- und Stickstoffreduktion, eines elektrochemischen Reaktors zur Oxidation und/oder Reduktion von Lignin, eines elektrochemischen Reaktors zur Hydrierung von Gasen oder Flüssigkeiten, eines elektrochemischen Zelle zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, Lithium-Luft-Batterie, Metall-Luft-Batterie oder eines Metallschicht-Abscheidungselektrolyseurs ausgebildet ist. Bei all diesen verschiedenen Einsätzen elektrochemischer Zellen und Reaktoren können so signifikant Kosten insbesondere bei der Herstellung derselben eingespart wenden, ohne eine Wirkungsweise und Effizienz des elektrochemischen Reaktors oder der elektrochemischen Zelle zu verringern.It is favorable if the electrochemical reactor is in the form of an ion exchange membrane water electrolyzer, a redox flow battery, an electrochemical reactor for carbon dioxide and nitrogen reduction, an electrochemical reactor for the oxidation and / or reduction of lignin, an electrochemical reactor for the hydrogenation of gases or liquids , an electrochemical cell for electrochemical water treatment, lithium-air battery, metal-air battery or a metal layer deposition electrolyzer. With all these different uses of electrochemical cells and reactors, it is possible to save significant costs, in particular in the manufacture of the same, without reducing the mode of operation and efficiency of the electrochemical reactor or the electrochemical cell.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Schnittansicht durch einen Ionenaustauschmembran- Wasserelektrolyseur; -
2 : eine schematische Schnittansicht durch eine Ionenaustauschmembran- Brennstoffzelle; -
3 : eine schematische Schnittansicht einer Membran-Elektroden-Einheit eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs; -
3b : eine schematische Schnittansicht einer Membran-Elektroden-Einheit einer Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle; -
4 : eine schematische Darstellung einer anodischen Schicht eines Ionenaustauschmembran- Wasserelektrolyseurs; -
5 : eine schematische Darstellung der chemischen Synthese eines Ir/ Ti407-Katalysators; -
6 : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme von Ir-Black der Firma Umicore; -
7a : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators IrV (mit Ir-Mohr); -
7b : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt/Ti4O7; -
7c : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt/ Ti4O7; -
7d : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt3Ir/Ti4O7; -
7e : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators PtIr3/Ti4O7; -
7f : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators IrV/Ti4O7, wärmebehandelt nach Synthese des Elektrokatalysators Ir/Ti407; -
7g : Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Ir/Ti4O7 (hitzebehandelt); -
8 : Darstellung der OER-Aktivität der Elektrokatalysatoren IrV/Ti4O7, Ir/Ti407, Ir-Mohr (von Umicore) + Ti4O7, Ir-Mohr (von Umicore), IrO2/TiO2 aka Elyst Ir75 (von Umicore); -
9 : Darstellung der ORR- und OER-Aktivität der Elektrokatalysatoren Pt3lr/Ti407, PtIr3/Ti4O7, PtIr/Ti407, Ir-Mohr (von Umicore), Pt-Mohr (von Johnson Matthey); -
10 : Darstellung der OER-Aktivität der Elektrokatalysatoren PtIr3/ATO, PtIr3/Ti4O7, Ir-Mohr (von Umicore); und -
11 : eine schematische Darstellung der Synthese des Elektrokatalysators PtIr/Ti407.
-
1 : a schematic sectional view through an ion exchange membrane water electrolyzer; -
2 : a schematic sectional view through an ion exchange membrane fuel cell; -
3 : a schematic sectional view of a membrane electrode unit of an ion exchange membrane water electrolyser; -
3b : a schematic sectional view of a membrane electrode unit of an ion exchange membrane fuel cell; -
4th : a schematic representation of an anodic layer of an ion exchange membrane water electrolyzer; -
5 : a schematic representation of the chemical synthesis of an Ir / Ti407 catalyst; -
6th : Secondary electron microscope image of Ir-Black from Umicore; -
7a : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst IrV (with Ir-Mohr); -
7b : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst Pt / Ti 4 O 7 ; -
7c : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst Pt / Ti 4 O 7 ; -
7d : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst Pt 3 Ir / Ti 4 O 7 ; -
7e : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst PtIr 3 / Ti 4 O 7 ; -
7f : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst IrV / Ti 4 O 7 , heat-treated after synthesis of the electrocatalyst Ir / Ti407; -
7g : Secondary electron microscope picture of the electrocatalyst Ir / Ti 4 O 7 (heat-treated); -
8th : Representation of the OER activity of the electrocatalysts IrV / Ti 4 O 7 , Ir / Ti407, Ir-Mohr (from Umicore) + Ti 4 O 7 , Ir-Mohr (from Umicore), IrO 2 / TiO 2 aka Elyst Ir75 (from Umicore); -
9 : Representation of the ORR and OER activity of the electrocatalysts Pt3lr / Ti407, PtIr 3 / Ti 4 O 7 , PtIr / Ti407, Ir-Mohr (from Umicore), Pt-Mohr (from Johnson Matthey); -
10 : Representation of the OER activity of the electrocatalysts PtIr 3 / ATO, PtIr 3 / Ti 4 O 7 , Ir-Mohr (from Umicore); and -
11 : a schematic representation of the synthesis of the electrocatalyst PtIr / Ti407.
In
Die elektrochemische Zelle
Auf die kathodische Bipolarplatte
Auf die kathodische Gasdiffusionsschicht
Auch in der anodischen Bipolarplatte
Die Brennstoffzelle
Eine Anode
Die anodische Gasdiffusionsschicht
Die kathodische Katalysatorschicht
Die kathodische Gasdiffusionsschicht
Die kathodische Bipolarplatte
Die Besonderheit der elektrochemischen Zelle
Die kathodische Katalysatorschicht
In
Die Katalysatorschicht umfasst eine Trägersubstanz
Auf der Trägersubstanz
Der Träger
An der anodischen Katalysatorschicht wird die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) unterstützt bei der Spaltung H2O.At the anodic catalyst layer, the oxygen evolution reaction (OER) is supported in the splitting of H 2 O.
In
Zunächst wird Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), welches als oberflächenaktiver Stoff wirkt, in wasserfreiem Ethanol gelöst, beispielsweise kann es dann in einen Dreihalskolben gegeben werden. Die Zugabe von CTAB fördert zum einen die Distorsion auf dem Trägermaterial, zum anderen dient es zur Bildung von Nanopartikeln.First, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), which acts as a surface-active substance, is dissolved in anhydrous ethanol, for example it can then be placed in a three-necked flask. The addition of CTAB on the one hand promotes the distortion on the carrier material, on the other hand it serves to form nanoparticles.
Anschließend wird das Trägermaterial Ti4O7 beigemischt. Zur besseren Vermischung kann die Lösung in ein Ultraschallbad gegeben werden.Then the support material Ti 4 O 7 is added. For better mixing, the solution can be placed in an ultrasonic bath.
Ferner wird Iridium(III)-Chlorid (IrCl3) in wasserfreiem Ethanol gelöst und dann der im Dreihalskolben enthaltenen Mischung zugeführt. Die gesamte Mischung wird für mehrere Minuten nochmals im Ultraschallbad behandelt. Dann wird Argon zugeströmt und die Rotation eingeschaltet.Furthermore, iridium (III) chloride (IrCl 3 ) is dissolved in anhydrous ethanol and then added to the mixture contained in the three-necked flask. The entire mixture is treated again in the ultrasonic bath for several minutes. Then argon is flown in and the rotation is switched on.
Nach einigen Stunden wird die Temperatur der Mischung, die bei Raumtemperatur erfolgte, mit Hilfe eines Eisbades abgekühlt und die Rotation erhöht.After a few hours, the temperature of the mixture, which took place at room temperature, is cooled with the aid of an ice bath and the rotation is increased.
Das Reduktionsmittel Natriumborhydrid (NaBH4) wird in wasserfreiem Ethanol gelöst und tröpfchenweise zugegeben. Durch die niedrige Temperatur, die die Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzt, die erhöhte Rotation und durch das langsame Zutropfen von NaBH4 wird sowohl eine gute Verteilung der katalytisch aktiven Substanz auf dem Trägermaterial garantiert als auch die Agglomeration von Katalysatormaterial zu großen Partikeln unterbunden.The reducing agent sodium borohydride (NaBH 4 ) is dissolved in anhydrous ethanol and added dropwise. The low temperature, which slows the reaction rate, the increased rotation and the slow dropping of NaBH 4 both guarantee good distribution of the catalytically active substance on the support material and prevent the agglomeration of catalyst material into large particles.
Nachdem das Gemisch mehrere Stunden mit dem Magnetrührer durchmischt wurde, wird die Argonzufuhr abgestellt und die Rotation des Magnetrührers ausgeschaltet.After the mixture has been mixed with the magnetic stirrer for several hours, the argon supply is switched off and the rotation of the magnetic stirrer is switched off.
Mit Hilfe einer Woulffschen Flasche wird die Mischung über einen Papierfilter gefiltert und mehrere Male mit Ethanol gewaschen. Danach wird das Filtrat, also der erhaltene Elektrokatalysator Ir/Ti4O7, im Ofen bei 65°C getrocknet.Using a Woulff bottle, the mixture is filtered through a paper filter and washed several times with ethanol. The filtrate, ie the resulting Ir / Ti 4 O 7 electrocatalyst, is then dried in an oven at 65 ° C.
Optional kann der Elektrokatalysator Ir/Ti4O7 mit einem Übergangsmetall behandelt werden, beispielsweise mit Vanadium. Für eine Vanadiumbehandlung wird Vanadylsulfat (VOSO4) in Schwefelsäure (H2SO4) gelöst und der gereinigte und getrocknete Elektrokatalysator Ir/Ti4O7 wird hinzugegeben. Die Lösung wird gut durchmischt und das in der Mischung enthaltene Wasser anschließend verdampft. Der verbleibende Rest der Mischung wird im Ofen bei 500°C unter Wasserstoffatmosphäre getrocknet. So wird der Elektrokatalysator IrV/Ti4O7 hergestellt.Optionally, the Ir / Ti 4 O 7 electrocatalyst can be treated with a transition metal, such as vanadium. For a vanadium treatment, vanadyl sulfate (VOSO 4 ) is dissolved in sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and the cleaned and dried electrocatalyst Ir / Ti 4 O 7 is added. The solution is mixed well and the water contained in the mixture is then evaporated. The remainder of the mixture is in the oven at 500 ° C dried under a hydrogen atmosphere. This is how the IrV / Ti 4 O 7 electrocatalyst is made.
Alternativ kann eine Behandlung des Elektrokatalysators, insbesondere von Ir/Ti4O7, mit einem Übergangsmetall, beispielsweise Vanadium, auch durch Kugelmahlen, das Polyethylenglykol-Verfahren (polyethylne glycole method‟) oder das Adams-Fusions-Verfahren („Adams fusion method“) erfolgen.Alternatively, the electrocatalyst, especially Ir / Ti 4 O 7 , can be treated with a transition metal, for example vanadium, also by ball milling, the polyethylene glycol method (polyethylne glycol method) or the Adams fusion method ("Adams fusion method") ) respectively.
Vanadium kann durch chemische Reaktion in Ir/Ti4O7 insbesondere auf zwei Arten eingebracht werden. Zum einen kann Vanadium in das Gitter oder in Cluster von Iridium-Nanopartikeln unter Verwendung eines löslichen Vanadium-Präkursors („V precursor“) in Ethanol und Einbinden des gelösten Vanadium-Präkursors in einen initialen Schritt der Synthese, wie oben für Iridium (III)-Chlorid beschrieben. Zum anderen kann, wie oben im Zusammenhang mit der Vanadiumbehandlung unter Verwendung von Vanadylsulfat beschrieben, VOx zur Modifizierung der Oberfläche bereits gebildeter Iridium-Nanopartikel-Agglomerate eingesetzt werden.Vanadium can be introduced into Ir / Ti 4 O 7 by chemical reaction in two ways in particular. On the one hand, vanadium can be added to the lattice or in clusters of iridium nanoparticles using a soluble vanadium precursor ("V precursor") in ethanol and incorporating the dissolved vanadium precursor in an initial step of the synthesis, as above for iridium (III) -Chloride. On the other hand, as described above in connection with the vanadium treatment using vanadyl sulfate, VO x can be used to modify the surface of iridium nanoparticle agglomerates that have already formed.
Bei der beschriebenen Synthese wird lediglich das umweltfreundliche Ethanol als Lösungsmittel verwendet. Titansuboxid (Ti4O7) wird als Trägermaterial verwendet. Um zusätzlich die Menge des eingesetzten Iridiums zu verringern, kann wie beschrieben der Elektrokatalysator optional durch Zugabe von Vanadium modifiziert werden. Dadurch lässt sich eine Iridium-Beladung des Elektrokatalysators im Vergleich zu reinem Iridium signifikant senken und auf einen Wunschwert kontrollieren. Die Kosten für die Herstellung eines solchen geträgerten Elektrokatalysators sind unter Berücksichtigung aktueller Edelmetallpreise im Vergleich zu reinem Iridium signifikant geringer.In the synthesis described, only the environmentally friendly ethanol is used as a solvent. Titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) is used as the carrier material. In order to additionally reduce the amount of iridium used, the electrocatalyst can optionally be modified by adding vanadium, as described. As a result, the iridium loading of the electrocatalyst can be significantly reduced compared to pure iridium and controlled to a desired value. Taking into account current precious metal prices, the costs for the production of such a supported electrocatalyst are significantly lower compared to pure iridium.
In
Zum Vergleich zeigt
In
Die
Die
In
Die Aktivität von Elektrokatalysatoren in der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) sind beispielhaft in
Ein weiteres Beispiel für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Elektrokatalysators ist schematisch in
Zunächst wird zur Synthese von PtIr/Ti4O7 1,17 g Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB, VWR Chemicals), ein kationisches Tensid, welches die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzt, in 120 ml wasserfreiem Ethanol mit einem Wassergehalt von maximal 0,01 % gelöst und in einen Dreihalskolben gegeben. Die Zugabe von CTAB fördert zum einen die Dispersion der Edelmetalle auf dem Trägermaterial zum anderen dient es zur vollständigen Reduktion der metallischen Ausgangsstoffe und der Abscheidung auf dem Trägermaterial, der sogenannten Nanopartikelbildung.To synthesize PtIr / Ti 4 O 7, 1.17 g of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB, VWR Chemicals), a cationic surfactant that reduces the interfacial tension between two phases, is dissolved in 120 ml of anhydrous ethanol with a maximum water content of 0.01% and placed in a three-necked flask. The addition of CTAB on the one hand promotes the dispersion of the noble metals on the carrier material and on the other hand it serves to completely reduce the metallic starting materials and the deposition on the carrier material, the so-called nanoparticle formation.
Anschließend werden 0,15 g des Trägermaterials Ti4O7 dem Dreihalskolben zugefügt und zur besseren Vermischung mittels eines Magnetrührers bei 500 Umdrehungen/min gerührt.Then 0.15 g of the carrier material Ti 4 O 7 are added to the three-necked flask and stirred at 500 revolutions / min by means of a magnetic stirrer for better mixing.
Ferner wird der Lösung Argon zugeströmt, um eine inerte Gasphase zu schaffen.
53 mg des rotbraunen, kristallinen und hygroskopischen Salzes Platinum(IV)-chlorid (99,9 %, PtCl4 der Firma Alfa Aesar) werden mit 47 mg Iridium(III)-chlorid (99,9 %, IrCl3 der Firma Alfa Aesar), einem stark hygroskopischen Salz, in 50 ml wasserfreiem Ethanol gelöst und nach dreißig Minuten ebenfalls dem Dreihalskolben zugeführt.Furthermore, argon is flowed to the solution in order to create an inert gas phase.
53 mg of the red-brown, crystalline and hygroscopic salt platinum (IV) chloride (99.9%, PtCl 4 from Alfa Aesar) are mixed with 47 mg iridium (III) chloride (99.9%, IrCl3 from Alfa Aesar) , a strongly hygroscopic salt, dissolved in 50 ml of anhydrous ethanol and, after thirty minutes, also added to the three-necked flask.
Nach vier Stunden werden 152 mg des Reduktionsmittels Natriumborhydrid (NaBH4 der Firma Merck Millipore), ein Komplexsalz, welches aus einem Natriumkation Na+ und einem komplexen Tetrahydridoboratanion BH- 4 besteht, in 20 ml wasserfreiem Ethanol gelöst und zügig der Mischung zugegeben.After four hours, 152 mg of the reducing agent sodium borohydride (NaBH 4 from Merck Millipore), a complex salt consisting of a sodium cation Na + and a complex tetrahydridoborate anion BH - 4 , are dissolved in 20 ml of anhydrous ethanol and added quickly to the mixture.
Die Drehzahl des Magnetrührers wird auf 1100 Umdrehungen/min erhöht und die Lösung für weitere vier Stunden bei Raumtemperatur durchmischt, um so eine vollständige Reduktion zu erreichen.The speed of the magnetic stirrer is increased to 1100 revolutions / min and the solution is mixed for a further four hours at room temperature in order to achieve a complete reduction.
Danach wird die Mischung mit Hilfe einer Woulffschen Flasche und zwei Blaubandfilterpapieren, die für sehr feine Niederschläge geeignet sind, gefiltert und mehrere Male mit reinem Ethanol (99,0 %) gewaschen, damit Nebenprodukte sowie CTAB entfernt werden.Then the mixture is filtered with the help of a Woulff bottle and two blue band filter papers, which are suitable for very fine precipitates, and washed several times with pure ethanol (99.0%) so that by-products and CTAB are removed.
Das Filtrat, der erhaltene Elektrokatalysator PtIr/Ti4O7, im Ofen bei 40°C getrocknet und anschließend mit einem Mörser gemahlen.The filtrate, the resulting PtIr / Ti 4 O 7 electrocatalyst, dried in an oven at 40 ° C. and then ground with a mortar.
Um den Elektrokatalysator vollständig von CTAB zu reinigen, wird dieser optional einer Wärmebehandlung unterzogen oder mit Ethanol gewaschen, bis in der Mutterlauge kein CTAB mehr detektierbar ist. Bei der Wärmebehandlung wird der Elektrokatalysator in einer Gasatmosphäre von 5 % Wasserstoff und 95 % Argon bei 250°C für zwei Stunden erhitzt. Die Starttemperatur beträgt 30°C mit einer Temperaturrampe von 5°C/min und einem Volumenstrom des Reinigungsgases von 30 ml/min.In order to completely clean CTAB from the electrocatalyst, it is optionally subjected to a heat treatment or washed with ethanol until CTAB can no longer be detected in the mother liquor. During the heat treatment, the electrocatalyst is heated in a gas atmosphere of 5% hydrogen and 95% argon at 250 ° C for two hours. The start temperature is 30 ° C with a temperature ramp of 5 ° C / min and a volume flow of the cleaning gas of 30 ml / min.
Die einzelnen Syntheseschritte sind wie bereits angemerkt in
Im Anschluss an die Synthese kann der Elektrokatalysator PtIr/Ti4O7 optional mit Vanadium behandelt werden. Dazu wird Vanadylsulfat (VOSO4) der Firma Alfa Aesar in demineralisiertem Wasser gelöst und zur besseren Vermischung ins Ultraschallbad gegeben. Anschließend wird der Elektrokatalysator hinzugegeben und die Mischung für weitere dreißig Minuten im Ultraschallbad behandelt. Nachdem die Lösung gut durchmischt wurde, wird diese in einem Ofen bei 40°C erhitzt, um das Wasser zu verdampfen. Das getrocknete Pulver wird anschließend einer Wärmebehandlung bei 550°C in Luftatmosphäre für zwei Stunden unterzogen. Am Ende dieses Behandlungsprozesses erhält man so den Elektrokatalysator PtIrV/Ti4O7.Following the synthesis, the PtIr / Ti 4 O 7 electrocatalyst can optionally be treated with vanadium. For this purpose, vanadyl sulfate (VOSO 4 ) from Alfa Aesar is dissolved in demineralized water and added to the ultrasonic bath for better mixing. The electrocatalyst is then added and the mixture is treated in an ultrasonic bath for a further thirty minutes. After the solution has been mixed well, it is heated in an oven at 40 ° C to evaporate the water. The dried powder is then subjected to a heat treatment at 550 ° C. in an air atmosphere for two hours. At the end of this treatment process, the electrocatalyst PtIrV / Ti 4 O 7 is obtained .
Die oben beschriebenen Elektrokatalysatoren können für zahlreiche kommerzielle Anwendungen im Bereich der Nieder- zu Mitteltemperatur-elektrochemischen Anwendungen und Techniken genutzt werden. Dies sind insbesondere Katalysatorschichten in Membran-Elektroden-Einheiten sowie Katalysator-beschichteten Membranen, Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseure (PEM-Elektrolyseure), reversible Brennstoffzellen (RBZ), Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEBZ), Sauerstoffelektroden für verschiedene Elektrolyse-Anwendungen, Satellitenantriebe, Wasseraufbereitung sowie elektrochemische Membranreaktoren zur CO2- und N2-Reduktion von Biomasse und auch Lithium-Luft-Batterien und Metall-Luft-Batterien.The electrocatalysts described above can be used for numerous commercial applications in the area of low to medium temperature electrochemical applications and techniques. These are, in particular, catalyst layers in membrane electrode units as well as catalyst-coated membranes, polymer electrolyte membrane electrolysers (PEM electrolysers), reversible fuel cells (RBZ), polymer electrolyte fuel cells (PEBZ), oxygen electrodes for various electrolysis applications , Satellite drives, water treatment and electrochemical membrane reactors for CO 2 and N 2 reduction of biomass and also lithium-air batteries and metal-air batteries.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- elektrochemische Zelleelectrochemical cell
- 1212
- WasserelektrolyseurWater electrolyzer
- 1414th
- Ionenaustauschmembran-WasserelektrolyseurIon exchange membrane water electrolyzer
- 1616
- IonenaustauschmembranIon exchange membrane
- 1818th
- Katalysator-beschichtete MembranCatalyst-coated membrane
- 2020th
- Kathodecathode
- 2222nd
- kathodische Bipolarplattecathodic bipolar plate
- 2424
- Strömungsfeld der kathodischen BipolarplatteFlow field of the cathodic bipolar plate
- 2626th
- Kanalchannel
- 2828
- Wasserstoffverteiler/anodische GasdiffusionsschichtHydrogen diffuser / anodic gas diffusion layer
- 3030th
- KontaktoberflächeContact surface
- 3232
- kathodische Gasdiffusionsschichtcathodic gas diffusion layer
- 3434
- kathodische Katalysatorschichtcathodic catalyst layer
- 3636
- anodische Katalysatorschichtanodic catalyst layer
- 3838
- Anodeanode
- 4040
- StromkollektorCurrent collector
- 4242
- anodische Bipolarplatteanodic bipolar plate
- 4444
- KontaktoberflächeContact surface
- 4646
- Kanalchannel
- 4848
- StrömungsfeldFlow field
- 5050
- WasserverteilerWater distributor
- 6060
- elektrochemische Zelleelectrochemical cell
- 6262
- BrennstoffzelleFuel cell
- 6464
- Ionenaustauschmembran-BrennstoffzelleIon exchange membrane fuel cell
- 6666
- IonenaustauschmembranIon exchange membrane
- 6868
- Katalysator-beschichtete MembranCatalyst-coated membrane
- 7070
- Anodeanode
- 7272
- anodische Bipolarplatteanodic bipolar plate
- 7474
- Strömungsfeld der anodischen BipolarplatteFlow field of the anodic bipolar plate
- 7676
- Kanalchannel
- 7878
- WasserstoffverteilerHydrogen distributor
- 8080
- KontaktoberflächeContact surface
- 8282
- anodische Gasdiffusionsschichtanodic gas diffusion layer
- 8484
- anodische Katalysatorschichtanodic catalyst layer
- 8686
- kathodische Katalysatorschichtcathodic catalyst layer
- 8888
- Kathodecathode
- 9090
- kathodische Gasdiffusionsschichtcathodic gas diffusion layer
- 9292
- kathodische Bipolarplattecathodic bipolar plate
- 9494
- KontaktoberflächeContact surface
- 9696
- Kanalchannel
- 9898
- StrömungsfeldFlow field
- 100100
- SauerstoffverteilerOxygen distributor
- 102102
- TrägersubstanzCarrier substance
- 104104
- Trägercarrier
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- KatalysatorsubstanzCatalyst substance
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- KatalysatorsubstanzCatalyst substance
- 120120
- Katalysatorbeschichtete Membran-EinheitCatalyst-coated membrane unit
- 122122
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- Katalysatorbeschichtete MembraneinheitCatalyst-coated membrane unit
- 126126
- Membran-Elektroden-EinheitMembrane electrode assembly
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