DE102018210458A1 - Gas diffusion electrode for carbon dioxide utilization, process for its production and electrolysis cell with gas diffusion electrode - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode (5) zur Kohlenstoffdioxid- Verwertung, umfassend einen metallischen Träger (12) und eine auf diesen aufgebrachte elektrisch leitfähige Katalysatorschicht (11) mit hydrophilen Poren und/oder Kanälen und hydrophoben Poren und/oder Kanälen, wobei die Katalysatorschicht (11) metallische Partikel (13) umfasst, die zumindest in Teilbereichen (16) mit einem polymeren Bindematerial (15) beschichtet sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode (5) zur CO-Verwertung, sowie eine Elektrolysezelle (31, 33, 35) mit einer entsprechenden Gasdiffusionselektrode (5).The invention relates to a gas diffusion electrode (5) for utilizing carbon dioxide, comprising a metallic support (12) and an electrically conductive catalyst layer (11) with hydrophilic pores and / or channels and hydrophobic pores and / or channels applied thereon, the catalyst layer ( 11) comprises metallic particles (13) which are coated at least in partial areas (16) with a polymeric binding material (15). The invention further relates to a method for producing a gas diffusion electrode (5) for CO utilization, and an electrolysis cell (31, 33, 35) with a corresponding gas diffusion electrode (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode zur Kohlendioxid-Verwertung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode. Weiter betrifft die Erfindung ein Elektrolysesystem mit einer entsprechenden Gasdiffusionselektrode.The present invention relates to a gas diffusion electrode for utilizing carbon dioxide and a method for producing a gas diffusion electrode. The invention further relates to an electrolysis system with a corresponding gas diffusion electrode.

Aktuell werden etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen gedeckt. Durch diese Verbrennungsprozesse werden weltweite jährlich etwa 34000 Millionen Tonnen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (Kohlendioxid, CO2) in die Atmosphäre emittiert. Durch diese Freisetzung in die Atmosphäre wird der Großteil an Kohlenstoffdioxid entsorgt (bei großen Braunkohlekraftwerke über 50000 t pro Tag).Around 80% of global energy requirements are currently met by burning fossil fuels. These combustion processes emit around 34,000 million tons of the greenhouse gas carbon dioxide (carbon dioxide, CO 2 ) into the atmosphere annually. As a result of this release into the atmosphere, most of the carbon dioxide is disposed of (for large lignite-fired power plants over 50,000 t per day).

Aufgrund der wachsenden Ressourcenknappheit an fossilen Brennstoffen und der volatilen Verfügbarkeit von regenerativen Energiequellen rückt die Forschung der CO2-Reduktion immer stärker in den Fokus des Interesses. Hierbei würden CO2-Emissionen verringert und das CO2 könnte als kostengünstige Kohlenstoffquelle genutzt werden.Due to the growing scarcity of resources in fossil fuels and the volatile availability of renewable energy sources, research on CO 2 reduction is increasingly becoming the focus of interest. This would reduce CO 2 emissions and CO 2 could be used as an inexpensive source of carbon.

Die Diskussion über die negativen Auswirkungen von CO2 auf das Klima hat dazu geführt, dass über eine Wiederverwertung von CO2 nachgedacht wird. Allerdings liegt CO2 thermodynamisch gesehen sehr niedrig und kann daher nur schwer wieder zu brauchbaren Produkten reduziert werden.The discussion about the negative effects of CO 2 on the climate has led to the consideration of a recycling of CO 2 . From a thermodynamic point of view, however, CO 2 is very low and can therefore only be reduced to usable products with difficulty.

Ein natürlicher Kohlenstoffdioxid-Abbau erfolgt beispielsweise durch Fotosynthese. Dabei wird in einem zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgegliederten Prozess Kohlenstoffdioxid zu Kohlehydraten umgesetzt. Natural carbon dioxide degradation takes place, for example, through photosynthesis. In this process, carbon dioxide is converted into carbohydrates in a process that is divided into many sub-steps in terms of time and on a molecular level.

Dieser Prozess ist allerdings nicht ohne weiteres in einen großtechnischen Maßstab übertragbar. Eine Kopie des natürlichen Fotosyntheseprozesses mit großtechnischer Fotokatalyse ist bisher nicht ausreichend effizient.However, this process is not readily transferable to an industrial scale. A copy of the natural photosynthesis process with large-scale photo catalysis has not been sufficiently efficient so far.

Eine weitere Methode stellt die elektrochemische Reduktion des Kohlenstoffdioxids dar. Systematische Untersuchungen der elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid sind noch ein relativ junges Entwicklungsfeld. Erst seit wenigen Jahren gibt es Bemühungen, ein elektrochemisches System zu entwickeln, das eine akzeptable Kohlenstoffdioxidmenge reduzieren kann.Another method is the electrochemical reduction of carbon dioxide. Systematic studies of the electrochemical reduction of carbon dioxide are still a relatively young field of development. Only a few years ago there have been efforts to develop an electrochemical system that can reduce an acceptable amount of carbon dioxide.

Forschungen im Labormaßstab haben gezeigt, dass zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid bevorzugt Metalle als Katalysatoren einzusetzen sind. Aus der Veröffentlichung Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes von Y. Hori, veröffentlicht in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, sind Faraday-Effizienzen an unterschiedlichen Metallkathoden bekannt.Laboratory-scale research has shown that metals are preferred as catalysts for the electrolysis of carbon dioxide. From the publication Electrochemical CO 2 reduction on metal electrodes by Y. Hori, published in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, Faraday efficiencies on different metal cathodes are known.

Die in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Faraday Effizienzen (FE [%]) gelten für Produkte, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyten. Tabelle 1: Faraday-Effizienzen für die Umwandlung von CO2 in Produkte an verschiedenen Metallelektroden Elektrode CH4 C2H4 C2H5OH C3H7OH CO HCOO- H2 Total Cu 33,3 25,5 5,7 3,0 1,3 9,4 20,5 103,5 Au 0,0 0,0 0,0 0,0 87,1 0,7 10,2 98,0 Ag 0,0 0,0 0,0 0,0 81,5 0,8 12,4 94,6 Zn 0,0 0,0 0,0 0,0 79,4 6,1 9,9 95,4 Pd 2,9 0,0 0,0 0,0 28,3 2,8 26,2 60,2 Ga 0,0 0,0 0,0 0,0 23,2 0,0 79,0 102,0 Pb 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 97,4 5,0 102,4 Hg 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 99,5 0,0 99,5 In 0,0 0,0 0,0 0,0 2,1 94,9 3,3 100,3 Sn 0,0 0,0 0,0 0,0 7,1 88,4 4,6 100,1 Cd 1,3 0,0 0,0 0,0 13,9 78,4 9,4 103,0 Tl 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 95,1 6,2 101,3 Ni 1,8 0,1 0,0 0,0 0,0 1,4 88,9 92,4 Fe 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 94,8 94,8 Pt 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 95,7 95,8 Ti 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 99,7 99,7 The Faraday efficiencies (FE [%]) given in Table 1 below apply to products that are formed during the carbon dioxide reduction on various metal electrodes. The values given apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as the electrolyte. Table 1: Faraday efficiencies for the conversion of CO 2 into products on different metal electrodes electrode CH 4 C 2 H 4 C 2 H 5 OH C 3 H 7 OH CO HCOO - H 2 Total Cu 33.3 25.5 5.7 3.0 1.3 9.4 20.5 103.5 Au 0.0 0.0 0.0 0.0 87.1 0.7 10.2 98.0 Ag 0.0 0.0 0.0 0.0 81.5 0.8 12.4 94.6 Zn 0.0 0.0 0.0 0.0 79.4 6.1 9.9 95.4 Pd 2.9 0.0 0.0 0.0 28.3 2.8 26.2 60.2 ga 0.0 0.0 0.0 0.0 23.2 0.0 79.0 102.0 pb 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 97.4 5.0 102.4 hg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.5 0.0 99.5 In 0.0 0.0 0.0 0.0 2.1 94.9 3.3 100.3 sn 0.0 0.0 0.0 0.0 7.1 88.4 4.6 100.1 CD 1.3 0.0 0.0 0.0 13.9 78.4 9.4 103.0 tl 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 95.1 6.2 101.3 Ni 1.8 0.1 0.0 0.0 0.0 1.4 88.9 92.4 Fe 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 94.8 94.8 Pt 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 95.7 95.8 Ti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.7 99.7

Wird Kohlenstoffdioxid beispielsweise an Silber-, Gold-, Zink-, Palladium- und Galliumkathoden nahezu ausschließlich zu Kohlenstoffmonoxid reduziert, entstehen an einer Kupferkathode, eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reaktionsprodukte. So würden beispielsweise an einer Silberkathode überwiegend Kohlenmonoxid und wenig Wasserstoff entstehen. Die Reaktionen an Anode und Kathode können mit folgenden Reaktionsgleichungen dargestellt werden: Kathode: 2 CO2 + 4 e- + 4 H+ → 2 CO + 2 H2O Anode: 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e- If, for example, carbon dioxide is almost exclusively reduced to carbon monoxide on silver, gold, zinc, palladium and gallium cathodes, a large number of hydrocarbons are formed as reaction products on a copper cathode. For example, carbon monoxide and little hydrogen would predominantly be produced on a silver cathode. The reactions at the anode and cathode can be represented with the following reaction equations: Cathode: 2 CO 2 + 4 e - + 4 H + → 2 CO + 2 H 2 O Anode: 2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4 e -

Von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist beispielsweise die elektrochemische Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid, Methan, Ethen und auch Ethylen. Die entsprechenden Summenreaktionsgleichungen sind im Folgenden dargestellt Kohlenmonoxid: CO2 + 2e + H2O → CO + 2 OH- Ethylen: 2 CO2 + 12 e- + 8 H2O → C2H4 + 12 OH- Methan: CO2 + 8 e- + 6 H2O → CH4 + 8 OH- Ethanol: 2 CO2 + 12 e- + 9 H2O → C2H5OH + 12 OH- Monoethylenglykol: 2 CO2 + 10 e- + 8 H2O → HOC2H4OH + 10 OH- The electrochemical production of carbon monoxide, methane, ethene and also ethylene is of particular economic interest. The corresponding sum reaction equations are shown below Carbon monoxide: CO 2 + 2e + H 2 O → CO + 2 OH - ethylene: 2 CO 2 + 12 e - + 8 H 2 O → C 2 H 4 + 12 OH - Methane: CO 2 + 8 e - + 6 H 2 O → CH 4 + 8 OH - ethanol: 2 CO 2 + 12 e - + 9 H 2 O → C2H 5 OH + 12 OH - Monoethylene glycol: 2 CO 2 + 10 e - + 8 H 2 O → HOC 2 H 4 OH + 10 OH -

Erst in den letzten Jahren kam es vermehrt zu systematischen Untersuchungen der elektrochemischen Reduktion von CO2. Trotz vieler Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, ein elektrochemisches System zu entwickeln, mit dem bei hinreichend hoher Stromdichte und akzeptabler Ausbeute CO2 langzeitstabil und energetisch günstig zu konkurrenzfähigen Energieträgern reduziert werden konnte.Systematic studies of the electrochemical reduction of CO 2 have only started to take place in recent years. Despite many efforts, it has so far not been possible to develop an electrochemical system which, with a sufficiently high current density and an acceptable yield, has been able to reduce CO 2 in a long-term and energetically favorable manner to competitive energy sources.

Aufgrund der wachsenden Ressourcenknappheit an fossilen Brennstoffen und der volatilen Verfügbarkeit von regenerativen Energiequellen rückt die Forschung der CO2- Reduktion immer stärker in den Fokus des Interesses. Hierbei würden CO2-Emissionen verringert und das CO2 könnte als kostengünstige Kohlenstoffquelle genutzt werden. Zur Gewährleistung einer hohen Stromdichte oder bei Versuchen, diese noch weiter zu erhöhen, wurden bisher jedoch lediglich die an der katalytisch aktiven Kathodenoberfläche der Elektrolysezelle erfolgende Kohlenstoffdioxid-Reduktion betrachtet.Due to the growing scarcity of resources in fossil fuels and the volatile availability of regenerative energy sources, research into CO 2 reduction is becoming increasingly popular. This would reduce CO 2 emissions and CO 2 could be used as an inexpensive source of carbon. To ensure a high current density or in attempts to increase it further, only the carbon dioxide reduction taking place on the catalytically active cathode surface of the electrolytic cell has so far been considered.

Elektrolysezellen, die zur elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid geeignet sind, bestehen üblicherweise aus einem Kathodenraum und einem Anodenraum. Zum Erreichen einer effektiven Umsetzung des eingesetzten CO2 ist die Kathode idealerweise als poröse Gasdiffusionselektrode ausgeführt. Gasdiffusionselektroden (GDE) sind poröse Elektroden in denen flüssige, feste und gasförmige Phasen vorliegen und der elektrisch leitende Katalysator die elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmige Phase katalysiert.Electrolysis cells that are suitable for the electrochemical reduction of carbon dioxide usually consist of a cathode compartment and an anode compartment. In order to achieve an effective conversion of the CO 2 used , the cathode is ideally designed as a porous gas diffusion electrode. Gas diffusion electrodes (GDE) are porous electrodes in which there are liquid, solid and gaseous phases and the electrically conductive catalyst catalyzes the electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.

Zur elektrochemischen Kohlenstoffdioxid-Verwertung werden bevorzugt katalysatorbasierte Gasdiffusionselektroden verwendet, die in ähnlicher Weise aus der großtechnischen Chloralkalielektrolyse bekannt sind. Die katalysatorbasierte Gasdiffusionselektrode kann zum einen mit einem flüssigen, salzhaltigen Elektrolyt in Kontakt stehen oder in einem Sonderfall direkt an der Separatormembran anliegen. Für letzteren Fall ist eine ionische Anbindung der Katalysatorpartikel an die Membran erforderlich, da die Membran in dieser Betriebsweise als Festelektrolyt verwendet wird.For electrochemical carbon dioxide utilization, catalyst-based gas diffusion electrodes are preferably used, which are similarly known from large-scale chloralkali electrolysis. The catalyst-based gas diffusion electrode can either be in contact with a liquid, salt-containing electrolyte or, in a special case, can be in direct contact with the separator membrane. In the latter case, an ionic connection of the catalyst particles to the membrane is required, since the membrane is used as a solid electrolyte in this mode of operation.

Die im Rahmen der CO2-Reduktion eingesetzten Gasdiffusionselektroden bestehen zumeist aus einer Mischung eines anorganischen Metallkatalysators (Ag, Au, Cu, Pb etc.) und einem organischen Binder (PTFE, PVDF, PFA, FEP, PFSA). Die präparierten Elektroden sind durch eine hohe Konnektivität der Poren und eine breite Porenradienverteilung gekennzeichnet. Der Einsatz von Gasdiffusionselektroden innerhalb der Elektroreduktion von CO2 in wässrigen Elektrolytlösungen ist in einem relativ schmalen Prozessfenster über einen Zeitraum > 1000 h möglich.The gas diffusion electrodes used for CO 2 reduction mostly consist of a mixture of an inorganic metal catalyst (Ag, Au, Cu, Pb etc.) and an organic binder (PTFE, PVDF, PFA, FEP, PFSA). The prepared electrodes are characterized by a high connectivity of the pores and a wide pore radius distribution. The use of gas diffusion electrodes within the electroreduction of CO 2 in aqueous electrolyte solutions is possible in a relatively narrow process window over a period of> 1000 h.

Anodenraum und Kathodenraum von zur elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid geeigneten Elektrolysezellen werden typischerweise in einem CO2-Elektrolyseur mit einer Kationen-selektiven Membran, einer Anionen-selektiven Membran oder einem Diaphragma voneinander getrennt gehalten. Dies verhindert eine unerwünschte Vermischung der an der Kathode und an der Anode gebildeten, gasförmigen Wertstoffe.The anode compartment and cathode compartment of electrolysis cells suitable for the electrochemical reduction of carbon dioxide are typically kept separate from one another in a CO 2 electrolyzer with a cation-selective membrane, an anion-selective membrane or a diaphragm. This prevents undesired mixing of the gaseous materials formed on the cathode and on the anode.

Die Durchdringung der Kathode mit dem eingesetzten Elektrolyt erfolgt hierbei durch zwei Triebkräfte. Als eine Triebkraft ist die elektrostatische Anziehung der Elektrolyt-Kationen zu benennen. Zum anderen werden an der Kathode anionische Spezies (in der Regel Hydrogenkarbonat-Ionen) erzeugt, die ein Kation zum Ladungsausgleich benötigen. Hieraus resultiert ein Konzentrationsgradient, der zum Eindringen von Kationen in die Elektrode führt.The penetration of the cathode with the electrolyte used takes place here by two driving forces. The electrostatic attraction of the electrolyte cations should be named as a driving force. On the other hand, anionic species (usually hydrogen carbonate ions) are generated on the cathode, which need a cation to balance the charge. This results in a concentration gradient that leads to the penetration of cations into the electrode.

Häufig geht das Ausmaß dieser Durchdringung jedoch über das für eine ionische Anbindung nötige Maß hinaus. Aufgrund von Elektro-Osmose gelangt auch der Elektrolyt auf die der Elektrolyt-Kammer abgewandte Seite der Elektrode. Dies führt in einem Grenzfall zur Porenverstopfung der Elektrode, woraus eine unerwünschte Unterversorgung des Katalysators mit CO2 resultiert.However, the extent of this penetration often goes beyond what is necessary for ionic binding. Due to electro-osmosis, the electrolyte also reaches the side of the electrode facing away from the electrolyte chamber. In a borderline case, this leads to pore clogging of the electrode, which results in an undesirable undersupply of the catalyst with CO 2 .

Als weiterer Grenzfall kann ein starker Durchtritt des wässrigen Mediums durch die Poren beobachtet werden, der zu einer Flutung des Porensystems und ebenfalls zu einer CO2 Unterversorgung des Katalysators beiträgt. Diese Problematik wird häufig bei Elektrolyseuraufbauten beobachtet, bei denen die Kathode in direktem Kontakt zu einem flüssigen, salzhaltigen Elektrolyten steht.As a further limit case, a strong passage of the aqueous medium through the pores can be observed, which contributes to a flooding of the pore system and also to a CO 2 undersupply of the catalyst. This problem is frequently observed in electrolyzer assemblies in which the cathode is in direct contact with a liquid, saline electrolyte.

Ein weiteres Problem dieser Variante ist die Durchflutung der Poren mit Elektrolyt. Eine bekannte Ursache für das Eindringen von Elektrolyt in die Poren der Elektrode ist der hydrostatische Druck der Wassersäule im Elektrolytspalt, durch den die technische Bauhöhe der Elektrolysezellen begrenzt wird. Weiter lässt sich im Betrieb eine zunehmende Salz- Kristallisation im Bereich der elektrolytabgewandten Seite beobachten, die zum einen zu einer Porenverstopfung der Elektrode führt, sodass auch hier Unterversorgung des Katalysators mit CO2 die Folge ist. Des Weiteren wird ein starker Durchtritt des wässrigen Mediums durch die Poren beobachtet, der zu einer Flutung des Porensystems und ebenfalls zu einer CO2- Unterversorgung des Katalysators beiträgt.Another problem with this variant is the flooding of the pores with electrolyte. A known cause for the penetration of electrolyte into the pores of the electrode is the hydrostatic pressure of the water column in the electrolyte gap, which limits the structural height of the electrolytic cells. In addition, increasing salt crystallization can be observed in operation in the area on the side facing away from the electrolyte, which on the one hand leads to pore clogging of the electrode, so that the catalyst is also undersupplied with CO 2 . Furthermore, a strong passage of the aqueous medium through the pores is observed, which contributes to a flooding of the pore system and also to a CO 2 undersupply of the catalyst.

Ein stabiler Betriebszustand wird unter der Vermeidung der genannten Grenzfälle erreicht. Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, das stabile Betriebsfenster für eine industrielle Anwendung der Technologie zu verbreitern, um eine effizientere Umsetzung des CO2 im Langzeitbetrieb großer Zellen zu gewährleisten und die vorbeschriebenen Problematiken zu vermeiden.A stable operating state is achieved while avoiding the limit cases mentioned. It is therefore technically necessary to widen the stable operating window for an industrial application of the technology in order to ensure a more efficient implementation of CO 2 in the long-term operation of large cells and to avoid the problems described above.

Bei Zellaufbauten ohne Elektrolytspalt bzw. bei der Verwendung einer MEA (membran electrode assembly) mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode, kann es im Elektrolysebetrieb zur starken Salzbildung im Bereich der Grenzfläche zwischen Gasdiffusionselektrode (Kathode) und der Separatormembran kommen, sodass kein stabiler Elektrolysebetrieb gewährleistet ist.With cell structures without an electrolyte gap or when using a MEA (membrane electrode assembly) with a gas diffusion electrode as the cathode, strong salt formation can occur in the area of the interface between the gas diffusion electrode (cathode) and the separator membrane in electrolysis operation, so that stable electrolysis operation is not guaranteed.

Ursächlich hierfür ist die zuvor beschriebene Bildung von Hydrogenkarbonat-Salzen aus den durch die Membran transportierten Kationen und den an der Kathode entstehenden Hydrogenkarbonat-Ionen. Ohne flüssigen Elektrolyten können diese Salze nicht abgeführt werden. Die Anreicherung der Elektrolytkationen im Bereich der Grenzfläche ist auf die Elektroosmose zurückzuführen. Der Konzentrationsgradient kann elektrodenseitig nicht abgebaut werden, da eine katalysatorbasierte Gasdiffusionselektrode nur eine sehr schlechte Ionenleitfähigkeit aufweist.The reason for this is the previously described formation of hydrogen carbonate salts from the cations transported through the membrane and the hydrogen carbonate ions formed at the cathode. These salts cannot be removed without liquid electrolytes. The accumulation of the electrolyte cations in the area of the interface is due to electroosmosis. The concentration gradient cannot be reduced on the electrode side, since a catalyst-based gas diffusion electrode has only very poor ion conductivity.

Zusammenfassend liegen die Stromdichten von bisher bekannten Methoden ohne Gasdiffusionselektroden weit unter den für eine wirtschaftliche Nutzung relevanten Werten < 100 mA/cm2. Technisch relevante Stromdichten können unter Verwendung von Gasdiffusionselektroden erzielt werden. Dies ist aus dem bestehenden Stand der Technik beispielsweise für großtechnisch betriebene Chloralkalielektrolysen bekannt.In summary, the current densities of previously known methods without gas diffusion electrodes are far below the values <100 mA / cm 2 relevant for economic use. Technically relevant current densities can be achieved using gas diffusion electrodes. This is known from the existing state of the art, for example, for large-scale chloralkali electrolysis.

So wurden in jüngster Zeit Silber/ Silberoxid/ PTFE-basierte Gasdiffusionselektroden für die Erzeugung von Natronlauge im bestehenden Chloralkalielektrolyseprozess (Sauerstoffverzehrelektroden) großtechnisch eingesetzt. Die Effizienz des Chloralkalielektrolyseprozesses konnte im Gegensatz zur herkömmlichen Elektrode um 30-40% erhöht werden. Die Methodik der Katalysatoreinbettung mit PTFE ist aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen und Patenten bekannt.In recent times, silver / silver oxide / PTFE-based gas diffusion electrodes for the production of sodium hydroxide solution in the existing chlor-alkali electrolysis process (oxygen consumption electrodes) have become large-scale used. The efficiency of the chlor-alkali electrolysis process could be increased by 30-40% in contrast to the conventional electrode. The methodology of catalyst embedding with PTFE is known from a large number of publications and patents.

Die Methode der Katalysatoreinbettung mit PTFE ist aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Methodik des sogenannten „Trockenverfahrens“ basiert auf einem Walzenkalendrierprozess von PTFE/ Katalysatorpulvern. Die der Methode zugrundeliegende Technik ist auf die EP 0 297 377 A2 zurückzuführen, gemäß der Elektroden auf Mn2O3-Basis für Batterien hergestellt wurden.The method of catalyst embedding with PTFE is known from a large number of publications. The method of the so-called “drying process” is based on a roller calendar process of PTFE / catalyst powders. The technique on which the method is based is based on EP 0 297 377 A2 attributed, according to which electrodes were made on the basis of Mn 2 O 3 for batteries.

In der DE 3 710 168 A1 wird erstmalig auf die Anwendung des Trockenprozesses hinsichtlich der Präparation von metallischen Elektrokatalysatorelektroden hingewiesen. Die Technik wurde des Weiteren in Patenten zur Herstellung silberbasierten (Silber(I)- oder Silber(II)-Oxid) Gasdiffusionselektroden (Sauerstoffverzehrelektroden) eingesetzt.In the DE 3 710 168 A1 For the first time, attention is drawn to the application of the drying process with regard to the preparation of metallic electrocatalyst electrodes. The technology was also used in patents for the production of silver-based (silver (I) or silver (II) oxide) gas diffusion electrodes (oxygen consumption electrodes).

Die EP 2 444 526 A2 und die DE 10 2005 023 615 A1 zeigen Mischungen, die einen Binderanteil von 0,5-7% aufweisen. Als Träger wurden Ag bzw. Nickelnetze mit einem Drahtdurchmesser von 0,1-0,3mm und einer Maschenbreite von 0,2-1,2 mm genannt. Die Aufgabe des Pulvers erfolgt direkt auf das Netz bevor es dem Walzenkalander zugeführt wird.The EP 2 444 526 A2 and the DE 10 2005 023 615 A1 show mixtures that have a binder content of 0.5-7%. Ag or nickel nets with a wire diameter of 0.1-0.3 mm and a mesh width of 0.2-1.2 mm were mentioned as carriers. The powder is fed directly onto the network before it is fed to the roller calender.

Die DE 10 148 599 A1 und die EP 0 115 845 B1 beschreiben einen ähnlichen Prozess, bei dem die Pulvermischung zuerst zu einem Fell bzw. Film extrudiert wird, der in einem weiteren Schritt auf das Netz gepresst wird.The DE 10 148 599 A1 and the EP 0 115 845 B1 describe a similar process in which the powder mixture is first extruded into a fur or film, which is pressed onto the mesh in a further step.

Letztere Methode ist aufgrund der geringeren mechanischen Stabilität weniger geeignet als der oben beschriebene Einstufen-Prozess. Die EP 2 410 079 A2 beschreibt das Einstufen-Verfahren zur Herstellung einer silberbasierten Sauerstoffverzehrelektrode mit der Ergänzung von Metalloxidzuschlägen wie TiO2, Fe3O4, Fe2O3, NiO2, Y2O3, Mn2O3, Mn5O8, WO3, CeO2 sowie Spinellen wie CoAl2O4, Co(AlCr)2O4 sowie inversen Spinellen wie (Co,Ni,Zn)2 (Ti,Al)O4, Perowskiten wie LaNiO3, ZnFe2O4.The latter method is less suitable than the one-step process described above due to the lower mechanical stability. The EP 2 410 079 A2 describes the one-step process for producing a silver-based oxygen consumption electrode with the addition of metal oxide additives such as TiO 2 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , NiO 2 , Y 2 O 3 , Mn 2 O 3 , Mn 5 O 8 , WO 3 , CeO 2 and spinels such as CoAl 2 O 4 , Co (AlCr) 2 O 4 and inverse spinels such as (Co, Ni, Zn) 2 (Ti, Al) O 4 , perovskites such as LaNiO 3 , ZnFe 2 O 4 .

Als ebenfalls geeignet wurden Zuschläge an Siliziumnitrid, Bornitrid, TiN, AlN, SiC, TiC, CrC, WC, Cr3C2, TiCN befunden und Oxide des Typs ZrO2, WO3 wurden als besonders geeignet identifiziert. Die Materialien werden ausdrücklich als Füller ohne katalytische Wirkung deklariert. Ziel ist hier ausdrücklich die Verringerung des hydrophoben Charakters der Elektrode.Supplements of silicon nitride, boron nitride, TiN, AlN, SiC, TiC, CrC, WC, Cr 3 C 2 , TiCN were also found to be suitable and oxides of the type ZrO 2 , WO 3 were identified as particularly suitable. The materials are expressly declared as fillers with no catalytic effect. The aim here is explicitly to reduce the hydrophobic character of the electrode.

Aus der DE 10 335 184 A1 sind weiter Katalysatoren bekannt, die für Sauerstoffverzehrelektroden alternativ verwendet werden können: Edelmetalle, z.B. Pt, Rh, Ir, Re, Pd, Edelmetalllegierungen, z.B. Pt-Ru, edelmetallhaltige Verbindungen, z.B. edelmetallhaltige Sulfide und Oxide, sowie Chevrelphasen, z.B. Mo4Ru2Se8 oder Mo4Ru2S8, wobei diese auch Pt, Rh, Re, Pd etc. enthalten können.From the DE 10 335 184 A1 further catalysts are known which can alternatively be used for oxygen-consuming electrodes: noble metals, e.g. Pt, Rh, Ir, Re, Pd, noble metal alloys, e.g. Pt-Ru, noble metal-containing compounds, e.g. noble metal-containing sulfides and oxides, and chevrel phases, e.g. Mo 4 Ru 2 Se 8 or Mo 4 Ru 2 S 8 , which may also contain Pt, Rh, Re, Pd etc.

Bekannte Cu-basierte Gasdiffusionselektroden zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen auf der Basis von CO2 sind beispielsweise in den Arbeiten von R. Cook [J. Electrochem.Soc., Vol. 137, No. 2, 1990 ] erwähnt. Dort wird ein nasschemisches Verfahren basierend auf einer PTFE 30B (Suspension)/Cu(OAc)2/ Vulkan XC 72 Mischung erwähnt. Die Methode beschreibt, wie anhand von drei Beschichtungszyklen eine hydrophobe Gastransportschicht und anhand von drei weiteren Beschichtungen eine katalysatorbeinhaltende Schicht aufgetragen wird.Known Cu-based gas diffusion electrodes for producing hydrocarbons based on CO 2 are, for example, in the work of R. Cook [J. Electrochem.Soc., Vol. 137, No. 2, 1990 ] mentioned. There is a wet chemical process based on a PTFE 30B (Suspension) / Cu (OAc) 2 / Vulkan XC 72 Mixture mentioned. The method describes how a hydrophobic gas transport layer is applied using three coating cycles and a catalyst-containing layer using three further coatings.

Nach jeder Schicht erfolgt eine Trocknungsphase (325°C) mit anschließendem statischem Pressvorgang (1000 - 5000 Psi). Für die erhaltenen Elektrode wurde eine Faraday-Effizienz von > 60% und eine Stromdichte von > 400mA/cm2 angegeben. Reproduktionsexperimente, die als Vergleichsbeispiele nachfolgend angeführt sind, belegen jedoch, dass das beschriebene statische Pressverfahren nicht zu stabilen Elektroden führt. Es wurde ebenfalls ein nachteiliger Einfluss des zugemischten Vulkan XC 72 festgestellt, sodass ebenfalls keine Kohlenwasserstoffe erhalten wurden.After each shift there is a drying phase (325 ° C) followed by a static pressing process ( 1000 - 5000 Psi). A Faraday efficiency of> 60% and a current density of> 400 mA / cm 2 were stated for the electrode obtained. Reproduction experiments, which are given below as comparative examples, prove, however, that the static pressing process described does not lead to stable electrodes. The admixed volcano XC also became a disadvantage 72 found that no hydrocarbons were obtained either.

Die beschriebenen Kalendriermethoden führen zu hochporösen einschichtigen Elektroden, die durch geringe Strömungswiderstände gekennzeichnet sind. Durch die hohe Porosität (50-70%) bzw. durch große Porenöffnungsradien, die durch derartige Herstellungsweise bedingt sind, haben die entsprechend präparierten Gasdiffusionselektroden bei einem Einsatz zur CO2-Elektrolyse in wässrigen Elektrolyten sehr enge Betriebsfester. Dies ist meist dadurch gekennzeichnet, dass Kationen wie Li+, K+, Na+ und Cs+ des Elektrolyten durch das elektrische Anziehung der Kathode in die poröse Struktur eindringen und dort nach der folgenden Reaktionsgleichung mit gebildeten OH-Ionen und absorbiertes CO2 Hydrogencarbonate bilden, die aufgrund des hohen Salzgehalts des Elektrolyten meist ausfallen. M+ + CO2 + OH- → MHCO3 The calendaring methods described lead to highly porous single-layer electrodes which are characterized by low flow resistances. Due to the high porosity (50-70%) or large pore opening radii, which are caused by this type of production, the correspondingly prepared gas diffusion electrodes have a very narrow operating stability when used for CO 2 electrolysis in aqueous electrolytes. This is usually characterized by the fact that cations such as Li +, K +, Na + and Cs + of the electrolyte penetrate into the porous structure through the electrical attraction of the cathode and there after the following Form the reaction equation with the OH ions and absorbed CO 2 hydrogen carbonates, which usually fail due to the high salt content of the electrolyte. M + + CO 2 + OH - → MHCO 3

Als weiterer unerwünschter Folgeeffekt wird das passive Eindringen von Wasser durch Diffusion entlang des Konzentrationsgradienten (Osmose) beobachtet. Dieser Effekt ist auch als „Wasser- Einlassdruck“-Effekt bekannt. Als Folge der beschriebenen Versalzung kann je nach Salzmenge und Feuchtigkeitsgehalt ein vollständiges Verstopfen der Porenstruktur erfolgen. Neben der vollständigen Verstopfung durch Salzkristalle besteht die Möglichkeit der vollständigen Durchflutung mit Elektrolyt, so dass dieser an der Rückseite kontinuierlich austritt.Another undesirable consequence is the passive penetration of water by diffusion along the concentration gradient (osmosis). This effect is also known as the "water inlet pressure" effect. As a result of the described salinization, depending on the amount of salt and moisture content, the pore structure can be completely blocked. In addition to complete blockage from salt crystals, there is the possibility of complete flooding with electrolyte so that it continuously escapes from the back.

Beide Grenzzustände führen zum Zusammenbruch des stabilen Betriebes und wirken sich direkt auf die ermittelten Produkt-Faraday-Effizienzen bzw. auf die erreichbare Stromdichte aus. Letzteres Phänomen ist auch aus dem Bereich der Chloralkalielektrolyse bekannt und wurde in DE 10 2010 054 643 A1 sowie in EP 2 398 101 A1 als kritisch betrachtet, da die durchtretende Flüssigkeit einen kontinuierlichen Film an der Rückseite ausbilden kann, der einen weiteren Gaszutritt in das Porensystem verhindert.Both limit states lead to the breakdown of stable operation and have a direct effect on the determined Faraday efficiencies or on the achievable current density. The latter phenomenon is also known from the field of chlor-alkali electrolysis and was described in DE 10 2010 054 643 A1 as in EP 2 398 101 A1 regarded as critical, since the liquid passing through can form a continuous film on the back, which prevents further gas entry into the pore system.

Um einen idealen Betriebszustand einer Gasdiffusionselektrode sicherzustellen, muss eine stabile Ausbildung der Dreiphasengrenze (Katalysator/Elektrolyt/Gas) gewährleistet sein. Bei einer vollständigen Durchflutung mit Elektrolyt ist nahezu kein CO2 Stofftransport möglich, so dass in diesem Betriebszustand die Bildung von Wasserstoff überwiegt. Bei teilweise Durchflutung mit Elektrolyt ist nur eine teilweise Unterversorgung mit CO2 vorhanden. Beide Zustände sind über Druckeinflüsse (Differenzdruck zwischen dem Elektrolyt und dem Gasraum) ineinander überführbar. Eine vollständige Unterbindung der Flutung der Elektrode, also dem Durchtritt von Elektrolyt kann durch beide vorbeschriebenen Systeme nicht verhindert werden.To ensure an ideal operating state of a gas diffusion electrode, the three-phase boundary (catalyst / electrolyte / gas) must be stable. When the electrolyte is completely flooded, almost no CO 2 mass transport is possible, so that the formation of hydrogen predominates in this operating state. With partial flooding with electrolyte, there is only a partial undersupply of CO 2 . Both states can be converted into one another via pressure influences (differential pressure between the electrolyte and the gas space). A complete suppression of the flooding of the electrode, i.e. the passage of electrolyte, cannot be prevented by both of the systems described above.

Ein weiteres Kriterium für den Betrieb einer Gasdiffusionselektrode ist der Blasenbildungspunkt, der aufgrund der hohen Porosität bei kalandrierten Elektroden mit Werten im Bereich von 5 mbar bis 20 mbar sehr gering ist. Elektroden mit geringen Blasenbildungspunkten reagieren relativ stark auf Druckschwankungen, sodass eine Regelung des Differenzdruckes (Staudruck des CO2 hinter der Elektrode) durch einen Differenzdruckregler in einer technischen Anwendung kompliziert ist. Wie in der DE 10 2013 011 298 A1 wird eine kompliziertere Regelschleife mit den Regelparametern Gaszusammensetzung, Druck und Volumenstrom erforderlich.Another criterion for the operation of a gas diffusion electrode is the bubble formation point, which is very low due to the high porosity in calendered electrodes with values in the range from 5 mbar to 20 mbar. Electrodes with low bubble formation points react relatively strongly to pressure fluctuations, so that regulating the differential pressure (back pressure of the CO 2 behind the electrode) by a differential pressure regulator is complicated in a technical application. Like in the DE 10 2013 011 298 A1 a more complicated control loop with the control parameters gas composition, pressure and volume flow is required.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mittels derer eine gezielte elektrochemische CO2-Verwertung in einem verbreiterten Betriebsfenster umsetzbar ist.The invention is therefore based on the object of specifying a possibility by means of which a targeted electrochemical CO 2 utilization can be implemented in a widened operating window.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 13 und 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.This object is achieved according to the invention by the features of claims 1, 13 and 16. Advantageous refinements of the invention are set out in the subclaims and the description below.

Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode wird zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung eingesetzt und umfasst einen metallischen Träger und eine auf diesen aufgebrachte elektrisch leitfähige Katalysatorschicht mit hydrophilen Poren und/oder Kanälen und hydrophoben Poren und/oder Kanälen, wobei die Katalysatorschicht metallische Partikel umfasst, die zumindest in Teilbereichen mit einem polymeren Bindematerial beschichtet sind.The gas diffusion electrode according to the invention is used for carbon dioxide utilization and comprises a metallic support and an electrically conductive catalyst layer with hydrophilic pores and / or channels and hydrophobic pores and / or channels applied thereon, the catalyst layer comprising metallic particles which contain at least in some areas with a polymeric binding material are coated.

Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode ist sowohl COals auch C2H4-selektiv. Durch die zumindest teilweise vorbeschichteten metallischen Partikel wird das Eindringen des Elektrolyten durch einen sehr stark ausgeprägten hydrophoben Charakter der Elektrode verhindert. Die Hydrophobisierung des Katalysators selbst ist hierfür ausschlaggebend.The gas diffusion electrode according to the invention is both CO and C 2 H 4 -selective. The at least partially precoated metallic particles prevent the electrolyte from penetrating due to the very pronounced hydrophobic character of the electrode. The hydrophobization of the catalyst itself is crucial for this.

Die metallischen Partikel sind hierzu bereits vor der Aufbringung auf den Träger mit Binder-Fasern bzw. Bindematerial-Fibrillen überzogen, wodurch die Hydrophobizität der Poren in der Katalysatorschicht erhöht wird. Das Eindringen des Elektrolyten in die Elektrode wird so verhindert und eine stabile Ausbildung der Dreiphasengrenze zwischen der Katalysatorschicht, dem Elektrolyten und dem jeweiligen Gas gewährleistet.For this purpose, the metallic particles are already coated with binder fibers or binder material fibrils before application to the support, as a result of which the hydrophobicity of the pores in the catalyst layer is increased. The penetration of the electrolyte into the electrode is prevented and a stable formation of the three-phase boundary between the catalyst layer, the electrolyte and the respective gas is ensured.

Insgesamt bietet die Beschichtung der metallischen Partikel (vorzugsweise Silberpartikel)mit dem Bindermaterial (vorzugsweise PTFE) die folgenden Vorteile:

  • - Hydrophobierung des Katalysators und damit eine Unterdrückung der Elektroosmose.
  • - Die hydrophoben und hydrophilen Bereiche ermöglichen das Vorliegen einer Dreiphasengrenze an jedem metallischen Partikel, wodurch eine präzise Lokalisierung der Reaktionszone nicht zwingend nötig ist.
  • - Die Langzeitstabilität der Gasdiffusionselektrode wird durch das inerte Binderpolymer deutlich verbessert.
  • - Die Fibrillierung ermöglicht eine hohe Beladung mit dem polymeren Bindermaterial oberhalb von 20 Gew.-%. Dies ist bei einer reinen Zufallsmischung von metallischen Partikeln und Bindermaterial nicht möglich, da die Partikel hier isoliert werden.
Overall, the coating of the metallic particles (preferably silver particles) with the binder material (preferably PTFE) offers the following advantages:
  • - Hydrophobization of the catalyst and thus suppression of electroosmosis.
  • - The hydrophobic and hydrophilic areas allow the presence of a three-phase boundary on each metallic particle, which means that precise localization of the reaction zone is not absolutely necessary.
  • - The long-term stability of the gas diffusion electrode is significantly improved by the inert binder polymer.
  • - The fibrillation enables a high loading with the polymeric binder material above 20% by weight. This is not possible with a pure random mixture of metallic particles and binder material, since the particles are isolated here.

Mit anderen Worten fungiert das Bindematerial vorliegend nicht nur im Sinne eines „Klebers“, sondern verhindert durch die zumindest teilweise Beschichtung der metallischen Partikel (Katalysatorpartikel) gezielt die unerwünschte ElektroOsmose, so dass kein Elektrolyt auf die der Elektrolyt-Kammer abgewandten Seite der Gasdiffusionselektrode gelangt. Die zumindest teilweise beschichteten Katalysatorpartikel sind zweckmäßigerweise Teil einer Mischung, die gemeinsam mit dem nicht an Katalysatorpartikeln anhaftenden Bindematerial die Katalysatorschicht der Gasdiffusionselektrode bilden. Die Beschichtung der metallischen Partikel ist bevorzugt durch prozessbedingt gebildeten Fibrillen ausgebildet.In other words, the binding material not only functions in the sense of an “adhesive”, but also prevents the undesired electro-osmosis by the at least partial coating of the metallic particles (catalyst particles), so that no electrolyte reaches the side of the gas diffusion electrode facing away from the electrolyte chamber. The at least partially coated catalyst particles are expediently part of a mixture which, together with the binding material which does not adhere to the catalyst particles, form the catalyst layer of the gas diffusion electrode. The coating of the metallic particles is preferably formed by fibrils formed due to the process.

Die CO- bzw. C2H4-selektive Gasdiffusionselektrode erfüllt weiter die im Folgenden dargestellten Anforderungen, die die Gasdiffusionselektrode für den Elektrolytdurchtritt sperren und entsprechend für die erfindungsgemäße selektive Produktbildung erforderlich sind.

  • - Zugänglichkeit der Katalysatorpartikel für das Eduktgas CO2 über die hydrophobe Poren.
  • - Hydrophile Bereiche in der Katalysatorschicht, die einen Kontakt zwischen dem Elektrolyt und den Katalysatorpartikeln ermöglichen.
  • - Hohe elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionselektrode bzw. der ausgebildeten Katalysatorschicht, sowie eine homogene Potentialverteilung über die gesamte Elektrodenfläche (potentialabhängige Produktselektivität).
  • - Hohe chemische und mechanische Stabilität im Elektrolysebetrieb (Unterdrückung von Rissbildung und Korrosion).
  • - Definierte Porosität mit einem geeigneten Verhältnis zwischen hydrophilen und hydrophoben Kanälen bzw. Poren in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander zur Sicherstellung von CO2-Verfügbarkeit bei gleichzeitigem Vorhandensein von H+-Ionen.
The CO or C 2 H 4 -selective gas diffusion electrode further fulfills the requirements shown below, which block the gas diffusion electrode for the electrolyte passage and are accordingly required for the selective product formation according to the invention.
  • - Accessibility of the catalyst particles for the starting gas CO 2 via the hydrophobic pores.
  • - Hydrophilic areas in the catalyst layer, which allow contact between the electrolyte and the catalyst particles.
  • - High electrical conductivity of the gas diffusion electrode or the formed catalyst layer, as well as a homogeneous potential distribution over the entire electrode area (potential-dependent product selectivity).
  • - High chemical and mechanical stability in electrolysis operation (suppression of cracking and corrosion).
  • - Defined porosity with a suitable ratio between hydrophilic and hydrophobic channels or pores in the immediate vicinity of one another in order to ensure availability of CO 2 with simultaneous presence of H + ions.

Vorzugsweise sind alle enthaltenen Partikel Teil der Dreiphasengrenze, um so hohe Stromdichten erreichen zu können. Weiter weist das Porensystem in der Katalysatorschicht eine ausreichende Absorption von Zwischenprodukten auf, um eine Weiterreaktion bzw. Dimerisierung / Oligomerisierung zu gewährleisten. Die Reaktionszone befindet sich vorteilhafterweise unmittelbar an der elektrolytzugewandten Seite der Gasdiffusionselektrode.All of the particles contained are preferably part of the three-phase limit in order to be able to achieve high current densities. Furthermore, the pore system in the catalyst layer has sufficient absorption of intermediate products to ensure a further reaction or dimerization / oligomerization. The reaction zone is advantageously located directly on the side of the gas diffusion electrode facing the electrolyte.

Weiter erfüllt die Katalysatorschicht insbesondere die folgenden Anforderungen, um so die elektrochemische Reduktion von CO2 zu Ethylen zu gewährleisten:

  • - Einheitliche Partikelgröße mit hoher spezifischer Oberfläche
  • - Dendritische Morphologie ohne isolierte Zentren oder Cluster
  • - Hohe Reinheit ohne Fremdmetallspuren von Übergangsmetallen oder Kohlenstoffbestandteilen wie Ruße oder Kohlen
  • - Verwendung von elektrochemisch stabilen Oxide zur Stabilisierung der Strukturdefekte hohe Selektivität und Langzeitstabilität
  • - Geringe Überspannung gegenüber der CO2-Reduktion.
In addition, the catalyst layer particularly meets the following requirements in order to ensure the electrochemical reduction of CO 2 to ethylene:
  • - Uniform particle size with a high specific surface
  • - Dendritic morphology with no isolated centers or clusters
  • - High purity without traces of foreign metal from transition metals or carbon components such as carbon black or carbon
  • - Use of electrochemically stable oxides to stabilize the structural defects, high selectivity and long-term stability
  • - Low overvoltage compared to the CO 2 reduction.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Katalysatorschicht einen Blasenbildungspunkt („bubble point“) oberhalb von 40 mbar, insbesondere in einem Bereich zwischen 80 mbar und 150 mbar auf. Der Wert des Blasenbildungspunktes gibt hierbei den Druck an, der notwendig ist, um Flüssigkeit aus den Poren der Katalysatorschicht herauszupressen. Je größer die Pore, desto geringer ist der Druck, um sie frei zu machen. Luft, die durch die leere Pore tritt, wird als Blasen festgestellt. Der differentielle Druck, der notwendig ist, um die erste Blase herauszupressen, ist hierbei als Blasenbildungspunkt definiert.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the catalyst layer has a bubble point above 40 mbar, in particular in a range between 80 mbar and 150 mbar. The value of the bubble point indicates the pressure which is necessary to press liquid out of the pores of the catalyst layer. The larger the pore, the lower the pressure to clear it. Air that passes through the empty pore is identified as bubbles. The differential pressure required to squeeze out the first bubble is defined as the bubble point.

Der Flutungsdruck („wetting point“) der Katalysatorschicht liegt vorzugsweise oberhalb von 150 mbar, bevorzugt in einem Bereich zwischen 200 mbar und 1000 mbar. Das Eindringen von Fluiden in die Katalysatorschicht ist aufgrund der vorbeschichteten metallischen Partikel also nur bei gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten Drücken möglich. Eine Flutung der Gasdiffusionselektrode wird so effektiv verhindert. The flooding pressure (“wetting point”) of the catalyst layer is preferably above 150 mbar, preferably in a range between 200 mbar and 1000 mbar. Because of the precoated metallic particles, the penetration of fluids into the catalyst layer is therefore only possible at pressures which are significantly higher than in the prior art. This effectively prevents flooding of the gas diffusion electrode.

Als metallische Partikel sind vorzugsweise Silberpartikel eingesetzt. Alternativ sind als metallische Partikel Kupfer-Partikel zweckmäßig. Unabhängig von der Art der eingesetzten Metallpartikel sind diese derart beschaffen, dass sich während der Herstellung einer Partikel-Binder-Mischung (zur Ausbildung der Katalysatorschicht) das eingesetzte Bindematerial - insbesondere in Form von Fasern bzw. Fibrillen - zumindest teilweise um die Partikel wickelt.Silver particles are preferably used as metallic particles. Alternatively, copper particles are expedient as metallic particles. Regardless of the type of metal particles used, these are such that during the production of a particle-binder mixture (to form the catalyst layer) the binding material used - in particular in the form of fibers or fibrils - at least partially wraps around the particles.

Der mittlere Partikeldurchmesser d50 der metallischen Partikel liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 µm und 10 µm, und bevorzugt zwischen 2 µm und 5 µm. Als metallische Partikel sind bevorzugt sphärische Partikel eingesetzt. Die metallischen Partikel weisen vorzugsweise eine BET-Oberfläche in einem Bereich zwischen 0,1 m2/g und 10 m2/g auf. Die BET-Oberfläche berechnet sich gemäß BET = 6/(δ(Ag)/d(metallische Partikel).The average particle diameter d 50 the metallic particles are preferably in a range between 1 μm and 10 μm, and preferably between 2 μm and 5 μm. Spherical particles are preferably used as metallic particles. The metallic particles preferably have a BET surface area in a range between 0.1 m 2 / g and 10 m 2 / g. The BET surface area is calculated according to BET = 6 / (δ (Ag) / d (metallic particles).

Zweckmäßigerweise umfasst die Katalysatorschicht Promotoren, die in Zusammenwirkung mit den metallischen Partikeln die katalytische Aktivität der Gasdiffusionselektrode verbessern. Vorzugsweise enthält die Katalysatorschicht zumindest ein Metalloxid, das bevorzugt ein geringeres Reduktionspotential als die Ethylenentwicklung aufweist, so dass die Bildung von Ethylen aus CO2 mittels der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode umsetzbar ist. Weiterhin sind die Metalloxide bevorzugt nicht inert, sondern sollen bevorzugt hydrophile Reaktionszentren darstellen, die für die Bereitstellung von Protonen dienen können.The catalyst layer expediently comprises promoters which, in cooperation with the metallic particles, improve the catalytic activity of the gas diffusion electrode. The catalyst layer preferably contains at least one metal oxide, which preferably has a lower reduction potential than the ethylene evolution, so that the formation of ethylene from CO 2 can be implemented by means of the gas diffusion electrode according to the invention. Furthermore, the metal oxides are preferably not inert, but should preferably be hydrophilic reaction centers which can be used to provide protons.

Das polymere Bindematerial weist vorzugsweise ein stark ausgeprägtes scheerverdünnendes Verhalten auf, so dass eine Faserbildung während des Mischprozesses stattfindet. Die während des Mischprozesses gebildeten Fasern bzw. Fibrillen des polymeren Bindematerials wickeln bzw. legen sich um die metallischen Partikel, ohne die Oberfläche vollständig zu umschließen. Das Binderpolymer ist zweckmäßigerweise in stark alkalischer Umgebung stabil.The polymeric binding material preferably has a pronounced shear-thinning behavior, so that fiber formation takes place during the mixing process. The fibers or fibrils of the polymeric binding material formed during the mixing process wind or wrap around the metallic particles without completely enclosing the surface. The binder polymer is expediently stable in a strongly alkaline environment.

Als polymeres Bindematerial (Binderpolymer) ist bevorzugt PTFE (Polytetrafluorethylen) eingesetzt. Als Pulver haben sich Dyneon® TF 9205 und Dyneon TF 1750 besonders bewährt. Insbesondere sind 0,1 bis 30 Gew.-% des polymeren Bindematerials, bevorzugt 5 bis 25 Gew.-%, und weiter bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% eingesetzt. Der mittlere Partikeldurchmesser (d50 ) des polymeren Bindematerials liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 µm und 20 µm.PTFE (polytetrafluoroethylene) is preferably used as the polymeric binder material (binder polymer). Dyneon® TF 9205 and Dyneon TF 1750 especially proven. In particular, 0.1 to 30% by weight of the polymeric binding material, preferably 5 to 25% by weight, and more preferably 15 to 20% by weight, are used. The average particle diameter ( d 50 ) of the polymeric binding material is preferably in a range between 0.5 microns and 20 microns.

Nach der Herstellung der entsprechenden Katalysator-Binder-Mischung wird diese auf den metallischen Träger aufgebracht und anschließende verfestigt. Hierbei bildet sich die Katalysatorschicht mit den entsprechenden Poren bzw. Kanälen aus. Die Porosität der Katalysatorschicht liegt hier vorzugsweise in einem Bereich zwischen 60 % und 80 %. Die Werte der Porosität der Katalysatorschicht beziehen sich hierbei auf den Anteil der freien Räume (Poren und/oder Kanäle) innerhalb der Katalysatorschicht im Vergleich zum Volumen der Katalysatorschicht.After the corresponding catalyst-binder mixture has been produced, it is applied to the metallic support and then solidified. The catalyst layer with the corresponding pores or channels is formed. The porosity of the catalyst layer is preferably in a range between 60% and 80%. The values of the porosity of the catalyst layer relate to the proportion of free spaces (pores and / or channels) within the catalyst layer in comparison to the volume of the catalyst layer.

Das Verhältnis von hydrophilen Poren und/oder Kanäle und hydrophoben Poren und/oder Kanäle in der Katalysatorschicht liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 50:50 und 20:80. Hierbei kann das Verhältnis innerhalb der Katalysatorschicht zu Gunsten der hydrophilen Poren verschoben sein. Die Tragschicht weist vorzugsweise ausschließlich hydrophobe Bereiche auf.The ratio of hydrophilic pores and / or channels and hydrophobic pores and / or channels in the catalyst layer is preferably in a range between 50:50 and 20:80. The ratio within the catalyst layer can be shifted in favor of the hydrophilic pores. The base layer preferably has only hydrophobic areas.

Als metallischer Träger ist vorzugsweise ein Netz mit Maschenweite zwischen 0,3 mm und 1,4 mm eingesetzt. Hierdurch können sowohl eine ausreichende mechanische Stabilität wie auch die Funktionalität als Gasdiffusionselektrode, beispielsweise im Hinblick auf eine hohe elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden. Alternativ kann der Träger im Rahmen der Erfindung auch in Form parallel verlaufender Drähte ausgebildet sein.A mesh with a mesh size between 0.3 mm and 1.4 mm is preferably used as the metallic carrier. This can ensure both adequate mechanical stability and functionality as a gas diffusion electrode, for example with regard to high electrical conductivity. Alternatively, the carrier can also be designed in the form of parallel wires in the context of the invention.

Je nach eingesetzten metallischen Partikeln ist als Träger zweckmäßigerweise ein silberhaltiges oder eine kupferhaltiges Netz (bzw. ein entsprechende Flächengebilde aus Draht) eingesetzt. Das als metallischer Träger eingesetzte Netz, insbesondere das Silbernetz weist vorzugsweise einen Drahtdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,25 mm auf.Depending on the metallic particles used, a silver-containing or copper-containing mesh (or a corresponding sheet of wire) is expediently used as the carrier. The mesh used as the metallic carrier, in particular the silver mesh, preferably has a wire diameter in a range between 0.1 mm and 0.25 mm.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung einer Gasdiffusionselektrode zur CO2-Verwertung. Das Verfahren umfasst die Herstellung einer Mischung aus metallischen Partikel und zumindest einem Bindematerial unter Ausbildung einer Mischung, das Auftragen der Mischung auf einen metallischen Träger, sowie die Einbettung der aufgetragenen Mischung in einen metallischen Träger. Erfindungsgemäß werden die metallischen Partikel bei der Herstellung der Mischung zumindest in Teilbereichen mit dem polymeren Bindematerial beschichtet. The method according to the invention is used to produce a gas diffusion electrode for CO 2 utilization. The method comprises the production of a mixture of metallic particles and at least one binding material to form a mixture, the application of the mixture to a metallic carrier, and the embedding of the applied mixture in a metallic carrier. According to the invention, the metallic particles are coated with the polymeric binding material at least in some areas during the production of the mixture.

Durch die Herstellung einer Mischung aus metallischen Partikeln und Bindematerial vor der Aufbringung der Mischung wird die gewünschte teilweise Beschichtung der metallischen Partikel mit Fasern bzw. Fibrillen erreicht, so dass eine erhöhte Hydrophobizität der Grenzschicht der Gasdiffusionselektrode erreicht wird. Die Mischprozedur und die damit einhergehende zumindest teilweise Beschichtung der metallischen Partikel ist für die Gasdiffusionselektrode der eigenschaftsdominierende Prozessschritt.The desired partial coating of the metallic particles with fibers or fibrils is achieved by producing a mixture of metallic particles and binding material before the mixture is applied, so that an increased hydrophobicity of the boundary layer of the gas diffusion electrode is achieved. The mixing procedure and the associated at least partial coating of the metallic particles is the property-dominating process step for the gas diffusion electrode.

Die Mischdauer hängt maßgeblich von den Eigenschaften des Katalysatorpulvers, also der metallischen Partikel ab. Insbesondere die Härte und die spezifischen Oberfläche der metallischen Partikel sind hierbei zu berücksichtigen. Vorzugsweise liegen das Katalysatorpulver und das Bindematerial vor dem Einwirken von großen Scherkräften in einer homogenen Mischung vor.The mixing time depends largely on the properties of the catalyst powder, i.e. the metallic particles. In particular, the hardness and the specific surface of the metallic particles have to be taken into account. The catalyst powder and the binding material are preferably present in a homogeneous mixture before the action of large shear forces.

Die Katalysatorschicht wird vorzugsweise mit einem Blasenbildungspunkt oberhalb von 40 mbar, und insbesondere in einem Bereich zwischen 80 mbar und 150 mbar hergestellt. Weiter bevorzugt wird die Katalysatorschicht derart hergestellt, dass der Flutungsdruck der Katalysatorschicht oberhalb von 150 mbar, bevorzugt in einem Bereich zwischen 200 mbar und 1000 mbar liegt.The catalyst layer is preferably produced with a bubble point above 40 mbar, and in particular in a range between 80 mbar and 150 mbar. The catalyst layer is more preferably produced in such a way that the flooding pressure of the catalyst layer is above 150 mbar, preferably in a range between 200 mbar and 1000 mbar.

Die Auftragung der Mischung kann im Rahmen der Erfindung auf unterschiedliche Weise erfolgen. Geeignet sind beispielsweise ein Aufstreuen, ein Aufsieben, ein Rakeln oder Ähnliches.The mixture can be applied in different ways within the scope of the invention. For example, sprinkling, sieving, knife coating or the like are suitable.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Mischung durch ein Extraktionsverfahren in den Träger eingebettet. Das Extraktionsverfahren führt zu Elektroden mit einem Blasenpunkt (Bubblepoint) von 100-250mbar. Bei kalandrierten (gewalzten) Elektroden liegt der Bubblepoint der hydrophoben Grundschicht in einem Bereich zwischen 10 mbar und 20 mbar. Durch das Auftragen einer hydrophilen Katalysatorschicht kann der Bubble point um bis zu 200 mbar erhöht werden.In an advantageous embodiment, the mixture is embedded in the carrier by an extraction process. The extraction process leads to electrodes with a bubble point of 100-250mbar. In the case of calendered (rolled) electrodes, the bubble point of the hydrophobic base layer is in a range between 10 mbar and 20 mbar. The bubble point can be increased by up to 200 mbar by applying a hydrophilic catalyst layer.

Beim Extraktionsverfahren wird eine Suspension aus den metallischen, zumindest teilweise beschichteten Partikeln, dem polymeren Bindematerial und einem Lösemittel hergestellt und diese auf den Träger aufgebracht. Als Träger wird vorzugweise ein feinmaschiges Polymernetz aus PP eingesetzt. Auch die Verwendung von Metallnetzen ist alternativ möglich. Als geeignete Lösemittel haben sich insbesondere N-methyl-2-pyrrolidon, Dimethylsulfoxid und Dimethylformamid erwiesen. Alternativ ist auch die Verwendung von γ-Butyrolacton möglich. Der mit der Suspension beladene Träger wird dann in ein für das polymere Bindematerial in ein Fällbad - gefüllt mit einem für das polymere Bindematerial sogenannten Nichtlösemittel - eingetaucht. Dort kommt es durch Diffusion zum Austausch von dem Lösemittel der Suspension durch Nicht-Lösemittel und damit zur Phasentrennung. Das polymere Bindematerial erstarrt hierbei und bildet eine poröse Matrix.In the extraction process, a suspension is produced from the metallic, at least partially coated particles, the polymeric binding material and a solvent, and these are applied to the carrier. A fine-mesh polymer network made of PP is preferably used as the carrier. Alternatively, the use of metal nets is also possible. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide and dimethylformamide have proven to be suitable solvents. Alternatively, the use of γ-butyrolactone is also possible. The carrier loaded with the suspension is then immersed in a precipitation bath for the polymeric binding material - filled with a so-called non-solvent for the polymeric binding material. There diffusion leads to an exchange of the solvent of the suspension with non-solvent and thus to phase separation. The polymeric binding material solidifies and forms a porous matrix.

Alternativ bevorzugt wird die Mischung durch trockenes Aufwalzen in den metallischen Träger eingebettet. Die mechanische Beanspruchung des Bindematerial durch den Walzprozess führt zur Vernetzung des der Mischung durch die Ausbildung von Binderkanälen, beispielsweise PTFE-Fibrillen. Das Erreichen dieses Zustandes ist besonders wichtig, um eine geeignete Porosität bzw. mechanische Stabilität der Elektrode zu gewährleisten.Alternatively, the mixture is preferably embedded in the metallic carrier by dry rolling. The mechanical loading of the binding material by the rolling process leads to the cross-linking of the mixture through the formation of binding channels, for example PTFE fibrils. Reaching this state is particularly important in order to ensure a suitable porosity or mechanical stability of the electrode.

Vorzugsweise wird die Mischung mit einem Verhältnis zwischen der Austrittsdicke H und Spaltbreite H0 in einem Bereich zwischen 1 und 1, 5 aufgewalzt. Wobei die Walzendrehzahl Bereich von 1.2 liegen 2. Die Walze dreht sich zweckmäßigerweise mir einer Walzendrehzahl in einem Bereich zwischen 0,5 U/min und 2 U/min. Die Auftragung erfolgt vorzugswese mit einer Flussrate Q in einem Bereich zwischen von 0,07 m/min und 0,3m/min. Zusätzlich kann eine Temperierung der Walzen den Fließprozesses unterstützen. Der bevorzugte Temperaturbereich liegt zwischen Raumtemperatur und 200°C und weiter bevorzugt zwischen 40-100°C.Preferably the mixture is made with a ratio between the exit thickness H and gap width H 0 in a range between 1 and 1 . 5 rolled on. Where the roller speed range from 1.2 lie Second The roller expediently rotates at a roller speed in a range between 0.5 rpm and 2 rpm. The application is preferably carried out with a flow rate Q in a range between 0.07 m / min and 0.3 m / min. Temperature control of the rollers can also support the flow process. The preferred temperature range is between room temperature and 200 ° C and more preferably between 40-100 ° C.

Der Grad der Fibrillierung des Bindematerials (Strukturparameter ζ) korreliert direkt mit der aufgebrachten Scherrate, da sich das Bindematerial, insbesondere ein Polymer, beim Aufbringen als scher-verdünnendes (pseudoplastisches) Fluid beim Auswalzen verhält. Nach der Aufbringung weist die erhaltene Schicht durch die Fibrillierung einen elastischen Charakter auf. Diese Strukturänderung ist irreversibel, sodass sich dieser Effekt durch weiteres Auswalzen nicht mehr nachträglich verstärken lässt, sondern die Schicht durch das elastische Verhalten bei weiterer Einwirkung von Scherkräften beschädigt wird. Eine besonders starke Fibrillierung kann nachteilig zu einem schichtseitigen Zusammenrollen der Elektrode führen, so dass zu hohe Gehalte an Binder vermieden werden sollten.The degree of fibrillation of the binding material (structural parameter ζ) correlates directly with the applied shear rate, since the binding material, in particular a polymer, behaves as a shear-thinning (pseudoplastic) fluid when it is rolled out. After application, the layer obtained has an elastic character due to the fibrillation. This structural change is irreversible, so that this effect can no longer be reinforced by further rolling out, but the layer by the elastic Behavior with further exposure to shear forces is damaged. A particularly strong fibrillation can disadvantageously lead to the electrode rolling up on the layer side, so that excessive binder contents should be avoided.

Die für die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und können entsprechend sinngemäß auf dieses übertragen werden.The advantages and preferred embodiments described for the gas diffusion electrode according to the invention apply equally to the method according to the invention and can be applied accordingly to this.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle umfasst eine Gasdiffusionselektrode gemäß einer der vorbeschriebene Ausgestaltungen. Die Gasdiffusionselektrode ist hier vorzugsweise als Kathode eingesetzt. Bevorzugt ist die Gasdiffusionselektrode speziell zum Betrieb in Plattenelektrolyseuren ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Elektrolysezelle auf Kathodenseite zur Reduktion von Kohlendioxid ausgebildet.The electrolysis cell according to the invention comprises a gas diffusion electrode according to one of the above-described configurations. The gas diffusion electrode is preferably used here as a cathode. The gas diffusion electrode is preferably designed specifically for operation in plate electrolyzers. The electrolysis cell is expediently designed on the cathode side for reducing carbon dioxide.

Die weiteren Bestandteile der Elektrolysezelle wie etwa die Anode, gegebenenfalls eine oder mehrere Membranen, Zuleitung(en) und Ableitung(en), die Spannungsquelle sowie weitere optionale Vorrichtungen wie Kühl- oder Heizeinrichtungen sind erfindungsgemäß grundsätzlich variabel. Gleiches gilt für die Anolyten und/oder Katholyten, die in einer solchen Elektrolysezelle verwendet werden.The other constituents of the electrolytic cell, such as the anode, possibly one or more membranes, supply line (s) and discharge line (s), the voltage source and further optional devices such as cooling or heating devices are fundamentally variable according to the invention. The same applies to the anolytes and / or catholytes which are used in such an electrolysis cell.

Die für die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode und das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Elektrolysezelle und können entsprechend sinngemäß auf dieses übertragen werden.The advantages and preferred embodiments described for the gas diffusion electrode according to the invention and the method according to the invention apply equally to the electrolysis cell according to the invention and can be correspondingly transferred to it accordingly.

Im Folgenden wird die Herstellung einer CO-selektiven Gasdiffusionselektrode näher erläutert.The production of a CO-selective gas diffusion electrode is explained in more detail below.

Zu Beginn wurde der Katalysatorvorläufer (Katalysatorprecursor) Silber(I)-Oxid Ag2O durch Fällung (2 AgNO3 + 2 NaOH → Ag2O + 2 NaNO3 + H2O) hergestellt. Hierzu wurden 200g (1,177 mol) in Wasser gelöstes Silbernitrat auf 60°C temperiert. Unter Rühren wurden eine 4M Natronlauge (160 g/l) zugetropft. Das ausgefallene Silber(I)-Oxid wurde das Produkt ab zentrifugiert, neutralgewaschen und anschließend getrocknet.At the beginning, the catalyst precursor (catalyst precursor) silver (I) oxide Ag 2 O was prepared by precipitation (2 AgNO 3 + 2 NaOH → Ag 2 O + 2 NaNO 3 + H 2 O). For this purpose, 200 g (1.177 mol) of silver nitrate dissolved in water were heated to 60 ° C. A 4M sodium hydroxide solution (160 g / l) was added dropwise with stirring. The precipitated silver (I) oxide, the product was centrifuged off, washed neutral and then dried.

Die Vermischung der Katalysatorpartikel (metallische Partikel) und des Bindematerials und damit die zumindest teilweise Beschichtung der Partikel erfolgten sowohl in einem Eirich-Mischer EL1 als auch in einer IKA-A10 Messermühle mit Hartmetallmesser (WC). Es wurden jeweils 35g trockenes und nach der vorbeschriebenen Prozedur gefälltes Silber(I-)Oxid, 10g gereinigtes Silberpulver (d50 = 2 µm-3 µm) und danach 15g PTFE (Dyneon TF 2021) eingesetzt. Die Gesamtbeladung betrug 60g.The mixing of the catalyst particles (metallic particles) and the binding material and thus the at least partial coating of the particles took place both in an Eirich mixer EL1 and in an IKA-A10 knife mill with a hard metal knife (WC). 35 g of dry silver (I-) oxide precipitated according to the procedure described above, 10 g of purified silver powder (d 50 = 2 μm-3 μm) and then 15 g of PTFE (Dyneon TF 2021) were used in each case. The total load was 60g.

Im Eirich-Mischer erfolgte die Vermischung mit einer Rotationsgeschwindigkeit des Sternwirblers von 2 bis 7 m/Sek. für 5 Minuten bei gleicher Drehrichtung von Mischbehälter und Wirbler. Ein Mischvorgang in der IKA-Messermühle dauerte 15 Sekunden und wurde 7-mal mit jeweils 15 Sekunden Pause wiederholt. Nach jedem Durchgang erfolgte ein manuelles Durchrühren. Die resultierenden Pulvermischungen wurden in verschlossenen Gefäßen luftdicht aufbewahrt.Mixing took place in the Eirich mixer at a rotational speed of the star whirler of 2 to 7 m / sec. for 5 minutes with the same direction of rotation of the mixing container and swirler. A mixing process in the IKA knife mill lasted 15 seconds and was repeated 7 times with a 15 second pause each. Manual stirring was carried out after each run. The resulting powder mixtures were kept airtight in closed containers.

In Tabelle 2 sind die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Mischdauern und der jeweiligen Vickershärte für den Eirichmischer und die IKA Messermühle aufgezeigt. Tabelle 2: Mischdauer für PTFE (Dyneon TF 2021) in Abhängigkeit der Vickershärte der eingesetzten metallischen Partikel Vickershärte Mischdauer IKA A10 Mischdauer EL1 [kp/mm2) (wida) Eirich (widia) 5 - 30 7 * 15 Sek. 30 * 15 Sek. 50 - 100 6 * 15 Sek. 20 * 15 Sek. 1000 - 2000 3 * 15 Sek. 10 * 15 Sek. Table 2 shows the relationships between different mixing times and the respective Vickers hardness for the Eirich mixer and the IKA knife mill. Table 2: Mixing time for PTFE (Dyneon TF 2021) depending on the Vickers hardness of the metallic particles used Vickers hardness Mixing time IKA A10 Mixing time EL1 [kp / mm 2 ) (Wida) Eirich (widia) 5 - 30 7 * 15 sec 30 * 15 sec 50-100 6 * 15 sec 20 * 15 sec 1000-2000 3 * 15 sec 10 * 15 sec

Zur anschließenden Herstellung der Gasdiffusionselektrode wurde hier das Trockenkalendrierverfahren verwendet. Die erhaltene vorgemischte Pulvermischung (aus den zumindest teilweise beschichteten metallischen Partikeln und dem Bindematerial) wurde auf ein Metallnetz aufgebracht. Hierzu wurde ein Silberdrahtgewebe (Mesh: 60 x 60) mit einer Maschenweite von 0,296 mm und einem Drahtdurchmesser von 0,127 mm eingesetzt. The dry calendering process was used for the subsequent production of the gas diffusion electrode. The premixed powder mixture obtained (from the at least partially coated metallic particles and the binding material) was applied to a metal mesh. For this purpose, a silver wire mesh (mesh: 60 x 60) with a mesh size of 0.296 mm and a wire diameter of 0.127 mm was used.

Das Gewicht des Netzes betrug 0,48 kg/m2 und hatte eine Größe von 2,13 m x 305 mm. The weight of the network was 0.48 kg / m 2 and had a size of 2.13 mx 305 mm.

Das Silberdrahtgewebe wurde zunächst mit Aceton entfettet und die Oberfläche mittels 2N HNO3 geätzt (30 bis 60 min). Das Silberdrahtgewebe wurde mit Pressluft abgeblasen und einseitig mit einem Capton-Klebeband beklebt. Mittels einer Vakuumplatte wurde das beklebte Drahtgewebe plan fixiert und ein Edelstahlrahmen mit einer Dicke von 0.5mm und einer offenen Fläche von Lx= 120 mm * 60 mm aufgelegt.The silver wire mesh was first degreased with acetone and the surface was etched using 2N HNO 3 (30 to 60 min). The silver wire mesh was blown off with compressed air and glued on one side with a Capton adhesive tape. Using a vacuum plate, the glued wire mesh was fixed flat and a stainless steel frame with a thickness of 0.5mm and an open area of L x = 120 mm * 60 mm was placed.

Die Auftragung des vorgemischten Pulvers erfolgte durch Aufsieben über ein PP-Sieb mit einer Maschenweite von w = 1 mm, sodass zunächst nur eine dünne gleichmäßige Bedeckung erreicht wurde. Danach wurde das Pulver mit einem Kunststoffspatel im Sieb aufgerührt und kontinuierlich aufgetragen, bis die Rahmenhöhe erreicht wurde. Die überschüssige Pulvermenge auf dem Rahmenrand wird vollständig entfernt.The premixed powder was applied by sieving through a PP sieve with a mesh size of w = 1 mm, so that initially only a thin, uniform covering was achieved. The powder was then stirred in the sieve with a plastic spatula and applied continuously until the frame height was reached. The excess amount of powder on the frame edge is completely removed.

Hierzu wurde ein Abziehwerkzeug mit einer abgerundeten Abziehkante eingesetzt. Diese wurde in einem 10° Winkel zum Untergrund gehalten und während des Abziehvorgangs schnell hin und her bewegt. Nach dem Abziehen erfolgte in locker gepackten Bereichen ein Nachsieben mit Wiederholung des Abziehvorgangs bis zum Erreichen einer einheitlichen Oberfläche.For this purpose, a peeling tool with a rounded peeling edge was used. This was held at a 10 ° angle to the surface and quickly moved back and forth during the pulling process. After the removal, loosely packed areas were screened with repetition of the removal process until a uniform surface was reached.

Zur Einbettung der Mischung und damit Ausbildung einer entsprechenden Gasdiffusionselektrode wurden sowohl das Extraktionsverfahren (a) als auch das Trockenkalendrierverfahren (b) eingesetzt. Beide Verfahren werden im Folgenden separat erläutert.Both the extraction process (a) and the dry calendaring process (b) were used to embed the mixture and thus to form a corresponding gas diffusion electrode. Both methods are explained separately below.

Herstellung einer Gasdiffusionselektrode mittels des ExtraktionsverfahrensProduction of a gas diffusion electrode using the extraction process

Zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode mittels des Extraktionsverfahrens wurden 48 g Silber-Pulver (2-3µm) mit 2 g PTFE Dyneon TF 2021 in einer Messermühle IKA A10 7 mal für jeweils 15 Sekunden vermischt. Weiter wurden 14 g PVDF in 68ml N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) bei 80°C unter Rühren gelöst (20 Gew.-%). Zu dieser Lösung wurde die Mischung aus 48 g Silber-Pulver und 2 g PTFE zugegeben und 2-mal für 30 Sekunden mit einem Ultraturraxx dispergiert. Die resultierende Dispersion wurde mittels Rakeln auf ein PP-Netz aufgetragen und das NMP in einem Wasser/Isopropanol-Bad (50 Vol-% Isopropanol) extrahiert. In einem zweiten Wasserbad wurde dann das Curing durchgeführt, bei dem letztlich die Oligomere verknüpft werden.To produce a gas diffusion electrode by means of the extraction process, 48 g of silver powder (2-3 µm) were mixed with 2 g of PTFE Dyneon TF 2021 in an IKA A10 knife mill 7 times for 15 seconds each. Furthermore, 14 g of PVDF were dissolved in 68 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) at 80 ° C. with stirring (20% by weight). The mixture of 48 g of silver powder and 2 g of PTFE was added to this solution and dispersed twice for 30 seconds with an Ultraturraxx. The resulting dispersion was knife-coated onto a PP network and the NMP was extracted in a water / isopropanol bath (50% by volume isopropanol). Curing was then carried out in a second water bath, in which the oligomers are ultimately linked.

Herstellung einer Gasdiffusionselektrode mittels des TrockenkalendierverfahrensProduction of a gas diffusion electrode using the dry calendaring process

Zur Einbettung der Mischung mittels des Trockenkalendierverfahrens wurde diese in die Netzstruktur eingewalzt. In einem Zweiwalzenkalander des Typs Dima B64E mit einer Walzenbreite von 13 0mm und einem Walzendurchmesser von 64mm erfolgt die Filmextrusion mit einer Bandgeschwindigkeit von 30cm/min bei einer Spaltdicke von 0.6 mm. Danach wird die Capton Folie entfernt und der Walzenspalt auf 0.3 mm verringert und die Elektrode erneut gewalzt.To embed the mixture using the dry calendaring process, it was rolled into the network structure. In a two-roll calender of the Dima B64E type with a roll width of 130 mm and a roll diameter of 64 mm, the film is extruded at a belt speed of 30 cm / min with a gap thickness of 0.6 mm. The Capton film is then removed and the nip is reduced to 0.3 mm and the electrode is rolled again.

Ein Einwalzen der beschichteten Partikel in die Netzstruktur ist ausdrücklich erwünscht, um eine hohe mechanische Stabilität der Elektrode zu gewährleisten, dies ist bei dem zuvor genannten Zweistufenprozess nicht der Fall, hier liegt der vorextrudierte Film nur auf dem Netz auf. Die mechanische Beanspruchung der Kunststoffpartikel durch den Walzprozess führt zur Vernetzung des Pulvers durch die Ausbildung von PTFE-Fibrillen. Hierdurch wird die geeignete Porosität bzw. mechanische Stabilität der Elektrode sichergestellt.Rolling the coated particles into the mesh structure is expressly desired in order to ensure a high mechanical stability of the electrode, this is not the case with the previously mentioned two-stage process, here the pre-extruded film rests only on the mesh. The mechanical stress on the plastic particles by the rolling process leads to the crosslinking of the powder through the formation of PTFE fibrils. This ensures the appropriate porosity or mechanical stability of the electrode.

Die elektrochemische Aktivierung der Elektrode erfolgte in 2,5 M KOH bei einer Stromdichte von 200mA/cm2 mit einer Platin-Gegenelektrode. Der Elektrodenabstand betrug 2 cm. Nach dem Einschalten des Stroms erfolgte eine sofortige, ganzflächige Reduktion des Silber(I)-oxids. Die Klemmspannung stieg von 3.8 V auf 5.8 V an und blieb bei diesem Wert konstant. Die Elektrode wurde nach einer Aktivierungszeit von 30 Minuten entnommen und die Oberfläche unter fließendem VE-Wasser unter Abreiben abgewaschen, sodass der sich gebildete dunkle Schleier entfernt werden konnte. Die Elektrode wurde zur einfacheren Trocknung mit Isopropanol und Ether gewaschen.The electrochemical activation of the electrode was carried out in 2.5 M KOH at a current density of 200 mA / cm 2 using a platinum counter electrode. The distance between the electrodes was 2 cm. After the current was switched on, the silver (I) oxide was immediately reduced across the entire surface. The clamping voltage rose from 3.8 V to 5.8 V and remained constant at this value. After an activation time of 30 minutes, the electrode was removed and the surface was washed off under running deionized water with rubbing off, so that the dark veil formed could be removed. The electrode was washed with isopropanol and ether for easier drying.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer Katalysatorschicht gemäß Stand der Technik,
  • 2 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer weiteren Katalysatorschicht gemäß Stand der Technik,
  • 3 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Katalysatorschicht gemäß Stand der Technik,
  • 4 eine Auftragung des zeitlichen Verlaufs der Faraday-Effizienz einer Gasdiffusionselektrode,
  • 5 eine Auftragung des zeitlichen Verlaufs der Faraday-Effizienz einer weiteren Gasdiffusionselektrode,
  • 6 eine schematische Darstellung einer Elektrolysezelle mit einer Gasdiffusionselektrode,
  • 7 eine schematische Darstellung einer alternativen Elektrolysezelle mit einer Gasdiffusionselektrode, sowie
  • 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Elektrolysezelle mit einer Gasdiffusionselektrode.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show:
  • 1 a schematic representation of a section of a catalyst layer according to the prior art,
  • 2 a schematic representation of a section of a further catalyst layer according to the prior art,
  • 3 a schematic representation of a section of a catalyst layer according to the prior art,
  • 4 a plot of the time course of the Faraday efficiency of a gas diffusion electrode,
  • 5 a plot of the time course of the Faraday efficiency of a further gas diffusion electrode,
  • 6 1 shows a schematic illustration of an electrolysis cell with a gas diffusion electrode,
  • 7 a schematic representation of an alternative electrolytic cell with a gas diffusion electrode, and
  • 8th is a schematic representation of another electrolytic cell with a gas diffusion electrode.

In den 1 bis 3 sind jeweils in schematischer Darstellung Ausschnitte von Gasdiffusionselektroden 1, 3, 5 mit entsprechenden Katalysatorschichten 7, 9, 11 gezeigt. Jede der Katalysatorschichten ist auf einen metallischen Träger 12 (vorliegend lediglich durch einen Pfeil angedeutet) aufgebracht bzw. in diesen eingebettet.In the 1 to 3 are each a schematic representation of sections of gas diffusion electrodes 1 . 3 . 5 with appropriate catalyst layers 7 . 9 . 11 shown. Each of the catalyst layers is on a metallic support 12 (in the present case only indicated by an arrow) applied or embedded in this.

Die Katalysatorschichten 9 und 9 der Gasdiffusionselektroden 1, 3 gemäß den 1 und 2 zeigen hierbei Beispiele des Stands der Technik, bei dem Ausschnitt gemäß 3 handelt es sich um eine erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode 5.The catalyst layers 9 and 9 the gas diffusion electrodes 1 . 3 according to the 1 and 2 show examples of the prior art, with the cutout according to 3 it is a gas diffusion electrode according to the invention 5 ,

Anhand von 3 ist zu erkennen, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Gasdiffusionselektrode 5 eine Katalysatorschicht 11 mit zumindest teilweise beschichteten metallischen Partikeln 13 aufweist. Die Partikel sind mit PTFE als polymerem Bindematerial 15 in Teilbereichen 16 beschichtet, welches die Partikel 13 in Form von Fibrillen 17 teilweise umschließt.Based on 3 it can be seen that the gas diffusion electrode produced by the method according to the invention 5 a catalyst layer 11 with at least partially coated metallic particles 13 having. The particles are with PTFE as a polymeric binding material 15 in some areas 16 coated, which the particles 13 in the form of fibrils 17 partially encloses.

Im Unterschied hierzu sind die Fibrillen 17 gemäß 1 zwischen durchmischten Molekülen des Bindematerials 15 und den metallischen Partikeln 13 angeordnet. Die metallischen Partikel sind nicht fibrilliert. Hierbei handelt es sich um eine einschichtige Gasdiffusionselektrode 1.The fibrils are different 17 according to 1 between mixed molecules of the binding material 15 and the metallic particles 13 arranged. The metallic particles are not fibrillated. This is a single-layer gas diffusion electrode 1 ,

In 2 besteht die Gasdiffusionselektrode 3 mit zwei voneinander separierten Schichten 19, 21. Zwischen den metallischen Partikeln 13 in der ersten Schicht 19 und den Bindematerial-Molekülen 15 in der zweiten Schicht 21 sind jeweils ebenfalls Fibrillen 17 angeordnet.In 2 there is the gas diffusion electrode 3 with two separate layers 19 . 21 , Between the metallic particles 13 in the first shift 19 and the binding material molecules 15 in the second shift 21 are also fibrils 17 arranged.

Die 4 und 5 zeigen vorliegend Auftragungen 23, 26 des zeitlichen Verlaufs der Faraday-Effizienzen, die bei der elektrochemischen Charakterisierung einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode 5 erhalten wurden. Die Gasdiffusionselektrode 5 wurde mittels des Trockenkalendierverfahrens hergestellt.The 4 and 5 show applications here 23 . 26 the time course of the Faraday efficiencies, which are used in the electrochemical characterization of a gas diffusion electrode according to the invention 5 were obtained. The gas diffusion electrode 5 was made using the dry calendaring process.

In den 4 und 5 ist jeweils die Faraday-Effizienz [%] in Abhängigkeit von der Stromdichte [J/mA*cm-2] aufgetragen. Es resultiert eine Faraday-Effizienz für CO2 von 100 % (Kurve 24) und für H2 von 0 % (Kurve 25) bei 30°C in 0.5M K2SO4 und 1M KHCO3 bei 250mA/cm2 (4). Bei 30°C in 0.5M K2SO4 und 1M KHCO3 bei 300mA/cm2 resultiert eine Faraday-Effizienz für CO2 von 80 % (Kurve 27), für H2 von etwa 20 % (Kurve 28) (5).In the 4 and 5 the Faraday efficiency [%] is plotted depending on the current density [J / mA * cm -2 ]. The result is a Faraday efficiency for CO 2 of 100% (curve 24) and for H 2 of 0% (curve 25) at 30 ° C in 0.5MK 2 SO 4 and 1M KHCO 3 at 250mA / cm 2 ( 4 ). At 30 ° C in 0.5MK 2 SO 4 and 1M KHCO 3 at 300mA / cm 2 , a Faraday efficiency for CO 2 of 80% (curve 27), for H 2 of about 20% (curve 28) results ( 5 ).

Weiter konnte folgendes beobachtet werden: Die Herstellung der Pulvermischung mit 25 Gew.-% PTFE erforderte aufgrund der hohen Viskosität eine Stärkere Mischvorrichtung als die IKA A10. Das Aufsieben der Pulvermischung war mit höherem Aufwand verbunden, als bei vergleichbaren Mischungen mit 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% PTFE. Die Gesamtporosität der Elektrode stieg bei einem höheren PTFE-Gehalt nicht signifikant.The following could also be observed: The production of the powder mixture with 25% by weight of PTFE required a stronger mixing device than the IKA A10 due to the high viscosity. The sieving of the powder mixture was associated with more effort than with comparable mixtures with 5% by weight to 10% by weight of PTFE. The overall porosity of the electrode did not increase significantly with a higher PTFE content.

Es konnten folgende Zusammenhänge identifiziert werden: Bei gleichbleibenden Walzenspalt konnte die Gesamtporosität der Gasdiffusionselektrode 5 durch die Aktivierung beeinflusst werden, sodass bei einer Halbierung der Stromdichte in einem Bereich von 50 bis 400 mA/cm2 etwa die Porosität um etwa 50% anstieg. PTFE-Gehalte von 5 Gew.-% und Gew.-% 10% waren nicht ausreichend hoch, um eine Permeation des Elektrolyten zu verhindern. Mit einem PTFE-Gehalt von 25% konnte in Durchfluten der Gasdiffusionselektrode 11 im Elektrolysebetrieb verhindert werden.The following correlations could be identified: With the roll gap remaining the same, the total porosity of the gas diffusion electrode 5 are influenced by the activation, so that when the current density is halved in a range from 50 to 400 mA / cm 2, the porosity increases by approximately 50%. PTFE contents of 5% by weight and 10% by weight were not sufficiently high to prevent permeation of the electrolyte. With a PTFE content of 25% it was possible to flood the gas diffusion electrode 11 can be prevented in electrolysis operation.

In den 6 bis 8 sind in schematischer Darstellung verschiedene Elektrolysezellen 31, 33, 35 gezeigt, die sich grundsätzlich für eine elektrochemische Reduktion von CO2 mit jeweils einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode 5 eignen.In the 6 to 8th are various electrolysis cells in a schematic representation 31 . 33 . 35 shown, which are in principle for an electrochemical reduction of CO 2 , each with a gas diffusion electrode according to the invention 5 suitable.

Die Elektrolysezelle 31 gemäß 6 zeigt einen 3-Kammer-Aufbau mit einem Anodenraum I und einem Kathodenraum II, die durch eine Membran M voneinander getrennt sind. Beispielhaft ist der Kathodenraum II gemäß 6 so ausgestaltet, dass ein Katholyt von unten zugeführt wird und dann nach oben den Kathodenraum II verlässt. Alternativ kann der Katholyt auch von oben zugeführt werden, wie beispielsweise bei Fallfilmelektroden. An der Anode A, welche mit der Kathode K (Gasdiffusionselektrode 5) mittels einer Stromquelle zur Bereitstellung der Spannung für die Elektrolyse elektrisch verbunden ist, findet im Anodenraum I die Oxidation eines Stoffes statt, der von unten beispielsweise mit einem Anolyt zugeführt wird. Der Anolyt verlässt gemeinsam mit dem Oxidationsprodukt den Anodenraum. The electrolytic cell 31 according to 6 shows a 3-chamber structure with an anode compartment I and a cathode compartment II, which are separated from each other by a membrane M. The cathode compartment II according to FIG 6 designed so that a catholyte is supplied from below and then leaves the cathode compartment II upwards. Alternatively, the catholyte can also be supplied from above, for example in the case of falling film electrodes. At the anode A, which is connected to the cathode K (gas diffusion electrode 5 ) is electrically connected by means of a current source to provide the voltage for the electrolysis, the oxidation of a substance takes place in the anode compartment I, which is supplied from below, for example, with an anolyte. The anolyte leaves the anode compartment together with the oxidation product.

Zudem kann in der Elektrolysezelle 31 gemäß 6 ein Reaktionsgas wie insbesondere Kohlendioxid durch die Gasdiffusionselektrode in den Kathodenraum II zur Reduktion gefördert werden. Obgleich nicht dargestellt sind auch Ausführungsformen mit poröser Anode denkbar.In addition, in the electrolysis cell 31 according to 6 a reaction gas, in particular carbon dioxide, is conveyed through the gas diffusion electrode into the cathode compartment II for reduction. Although not shown, embodiments with a porous anode are also conceivable.

Im Gegensatz hierzu liegen im PEM (Protonen- bzw. Ionen-Austauscher-Membran)-Aufbau der Elektrolysezelle 33 gemäß 7 die Kathode K (Gasdiffusionselektrode 5) und eine poröse Anode A direkt an der Membran M, wodurch der Anodenraum I vom Kathodenraum II getrennt wird.In contrast, the PEM (proton or ion exchange membrane) structure of the electrolysis cell 33 according to 7 the cathode K (gas diffusion electrode 5 ) and a porous anode A directly on the membrane M, whereby the anode compartment I is separated from the cathode compartment II.

Der Aufbau der Elektrolysezelle 35 gemäß 8 entspricht einer Mischform aus den Aufbauten gemäß der 6 und 7, wobei auf Katholytseite ein Aufbau mit der Gasdiffusionselektrode 5 (gemäß 6) und auf Anolytseite ein Aufbau gemäß 7 vorgesehen ist. Selbstverständlich sind auch Mischformen oder andere Ausgestaltungen der beispielhaft dargestellten Elektrodenräume denkbar. Weiterhin denkbar sind Ausführungsformen ohne Membran. Gemäß bestimmten Ausführungsformen können der kathodenseitige Elektrolyt und der anodenseitige Elektrolyt somit identisch sein, so dass die jeweilige Elektrolysezelle/ Elektrolyseeinheit ohne eine Membran M ausgebildet werden kann. Gleichermaßen ist es möglich, dass die jeweilige Elektrolysezelle in solchen Ausführungsformen eine Membran M aufweist.The structure of the electrolytic cell 35 according to 8th corresponds to a mixed form of the structures according to the 6 and 7 , on the catholyte side a structure with the gas diffusion electrode 5 (according to 6 ) and on the anolyte side a structure according to 7 is provided. Mixed forms or other configurations of the electrode spaces shown as examples are of course also conceivable. Embodiments without a membrane are also conceivable. According to certain embodiments, the cathode-side electrolyte and the anode-side electrolyte can thus be identical, so that the respective electrolysis cell / electrolysis unit can be formed without a membrane M. It is equally possible that the respective electrolysis cell has a membrane M in such embodiments.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Abstand zwischen Elektrode und Membran sehr klein bzw. 0, wenn die Membran porös ausgeführt ist und einen Zufuhr des Elektrolyten beinhaltet. Die Membran kann auch mehrschichtig ausgeführt sein, sodass getrennten Zuführungen von Anolyt bzw. Katholyt ermöglicht wird. Trenneffekte werden bei wässrigen Elektrolyten beispielsweise durch die Hydrophobizität von Zwischenschichten erreicht. Leitfähigkeit kann trotzdem gewährleisten werden, wenn leitfähige Gruppen in derartige Trennschichten integriert sind. Die Membran kann eine ionenleitende Membran sein, bzw. ein Separator, der nur eine mechanische Trennung bewirkt und für Kationen und Anionen durchlässig ist.According to certain embodiments, the distance between the electrode and the membrane is very small or 0 if the membrane is porous and contains a supply of the electrolyte. The membrane can also have a multi-layer design, so that separate feeds of anolyte or catholyte are made possible. Separation effects are achieved in aqueous electrolytes, for example, by the hydrophobicity of intermediate layers. Conductivity can nevertheless be guaranteed if conductive groups are integrated in such separating layers. The membrane can be an ion-conducting membrane or a separator which only brings about a mechanical separation and is permeable to cations and anions.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode 5 ist es möglich, eine Dreiphasen-Elektrode aufzubauen. Beispielsweise kann ein Gas von hinten an die elektrisch aktive Vorderseite der Gasdiffusionselektrode 5 geführt werden, um dort eine elektrisch-chemische Reaktion durchzuführen. Alternativ kann die Gasdiffusionselektrode 5 auch nur hinterströmt sein, wobei ein Gas wie insbesondere CO2 an der Hinterseite der Gasdiffusionselektrode 5 im Verhältnis zum Elektrolyten vorbeigeführt wird. Das Gas durchdringt dann die Poren der Gasdiffusionselektrode 5 und das Produkt wird an der Hinterseite abgeführt.By using the gas diffusion electrode according to the invention 5 it is possible to build a three-phase electrode. For example, a gas can flow from behind to the electrically active front side of the gas diffusion electrode 5 be carried out in order to carry out an electrical-chemical reaction there. Alternatively, the gas diffusion electrode 5 also only flow behind, a gas such as in particular CO 2 on the rear side of the gas diffusion electrode 5 in relation to the electrolyte. The gas then penetrates the pores of the gas diffusion electrode 5 and the product is discharged at the rear.

Bevorzugt ist der Gasfluss beim Hinterströmen umgekehrt zum Fluss des Elektrolyten, damit eventuell durchgedrückte Flüssigkeit abtransportiert werden kann. Auch hierbei ist ein Spalt zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Membran als Elektrolytreservoir vorteilhaft.The gas flow when flowing behind is preferably reversed to the flow of the electrolyte, so that any liquid that has been pressed through can be removed. Here too, a gap between the gas diffusion electrode and the membrane is advantageous as an electrolyte reservoir.

Weitere Details zu bevorzugten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Elektrolysezellen mit Gasdiffusionselektroden zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung sind auch aus der DE 10 2015 215 309 A1 zu entnehmen.Further details on preferred embodiments of electrolysis cells according to the invention with gas diffusion electrodes for carbon dioxide utilization are also from the DE 10 2015 215 309 A1 refer to.

Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments, refinements and developments can, if appropriate, be combined with one another as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with reference to the exemplary embodiments, which are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gasdiffusionselektrode (gemäß Stand der Technik)Gas diffusion electrode (according to the prior art)
33
Gasdiffusionselektrode (gemäß Stand der Technik)Gas diffusion electrode (according to the prior art)
55
GasdiffusionselektrodeGas diffusion electrode
77
Katalysatorschichtcatalyst layer
99
Katalysatorschichtcatalyst layer
1111
Katalysatorschichtcatalyst layer
1212
metallischer Trägermetallic support
1313
metallische Partikelmetallic particles
1515
Bindematerialbinding material
1616
beschichtete Teilbereichecoated sections
1717
Fibrillefibril
1919
erste Schicht Gasdiffusionselektrodefirst layer gas diffusion electrode
2121
zweite Schicht Gasdiffusionselektrodesecond layer gas diffusion electrode
2323
Auftragung Faraday-EffizienzPlotting Faraday efficiency
2424
Faraday-Effizienz für CO2 Faraday efficiency for CO 2
2525
Faraday-Effizienz für H2 Faraday efficiency for H 2
2626
Auftragung Faraday-EffizienzPlotting Faraday efficiency
2727
Faraday-Effizienz für CO2 Faraday efficiency for CO 2
2828
Faraday-Effizienz für H2 Faraday efficiency for H 2
3131
Elektrolysezelleelectrolysis cell
3333
Elektrolysezelleelectrolysis cell
3535
Elektrolysezelleelectrolysis cell

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (16)

Gasdiffusionselektrode (5) zur Kohlenstoffdioxid- Verwertung, umfassend einen metallischen Träger (12) und eine auf diesen aufgebrachte elektrisch leitfähige Katalysatorschicht (11) mit hydrophilen Poren und/oder Kanälen und hydrophoben Poren und/oder Kanälen, wobei die Katalysatorschicht (11) metallische Partikel (13) umfasst, die zumindest in Teilbereichen (16) mit einem polymeren Bindematerial (15) beschichtet sind.Gas diffusion electrode (5) for carbon dioxide utilization, comprising a metallic support (12) and an electrically conductive catalyst layer (11) with hydrophilic pores and / or channels and hydrophobic pores and / or channels applied thereon, the catalyst layer (11) being metallic particles (13), which are coated at least in partial areas (16) with a polymeric binding material (15). Gasdiffusionselektrode (5) nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht (11) einen Blasenbildungspunkt oberhalb von 40 mbar, insbesondere in einem Bereich zwischen 80 mbar und 150 mbar aufweist.Gas diffusion electrode (5) after Claim 1 , wherein the catalyst layer (11) has a bubble formation point above 40 mbar, in particular in a range between 80 mbar and 150 mbar. Gasdiffusionselektrode (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flutungsdruck der Katalysatorschicht (11) oberhalb von 150 mbar, bevorzugt in einem Bereich zwischen 200 mbar und 1000 mbar liegt.Gas diffusion electrode (5) after Claim 1 or 2 , wherein the flooding pressure of the catalyst layer (11) is above 150 mbar, preferably in a range between 200 mbar and 1000 mbar. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als metallische Partikel (13) Silberpartikel eingesetzt sind.Gas diffusion electrode (5) according to any one of the preceding claims, wherein silver particles are used as metallic particles (13). Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die der mittlere Partikeldurchmesser (d50) der metallischen Partikel (13) in einem Bereich zwischen 1 µm und 10 µm, und bevorzugt zwischen 2 µm und 5 µm liegt.Gas diffusion electrode (5) according to one of the preceding claims, wherein the mean particle diameter (d 50 ) of the metallic particles (13) is in a range between 1 µm and 10 µm, and preferably between 2 µm and 5 µm. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallischen Partikel (13) eine spezifische BET-Oberfläche in einem Bereich zwischen 0,1 m2/g und 10 m2/g aufweisen.Gas diffusion electrode (5) according to any one of the preceding claims, wherein the metallic particles (13) have a specific BET surface area in a range between 0.1 m 2 / g and 10 m 2 / g. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 0,1 bis 30 Gew.-% des polymeren Bindematerials (15), insbesondere 5 bis 25 Gew.-%, und weiter bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% eingesetzt sind.Gas diffusion electrode (5) according to any one of the preceding claims, wherein 0.1 to 30 wt .-% of the polymeric binding material (15), in particular 5 to 25 wt .-%, and more preferably 15 to 20 wt .-% are used. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mittlere Partikeldurchmesser (d50) des polymeren Bindematerials (15) in einem Bereich zwischen 0,5 µm und 20 µm liegt.Gas diffusion electrode (5) according to any one of the preceding claims, wherein the mean particle diameter (d 50 ) of the polymeric binding material (15) is in a range between 0.5 µm and 20 µm. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Porosität der Katalysatorschicht (11) in einem Bereich zwischen 60 % und 80 % liegt.Gas diffusion electrode (5) according to any one of the preceding claims, wherein the porosity of the catalyst layer (11) is in a range between 60% and 80%. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis von hydrophilen Poren und/oder Kanäle und hydrophoben Poren und/oder Kanäle in der Katalysatorschicht (11) in einem Bereich zwischen 50:50 und 20:80 liegt.Gas diffusion electrode (5) according to one of the preceding claims, wherein the ratio of hydrophilic pores and / or channels and hydrophobic pores and / or channels in the catalyst layer (11) is in a range between 50:50 and 20:80. Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als metallischer Träger (12) ein Netz, bevorzugt ein Silbernetz mit Maschenweite zwischen 0,3 mm und 1,4 mm eingesetzt ist.Gas diffusion electrode (5) according to one of the preceding claims, wherein a mesh, preferably a silver mesh with a mesh size between 0.3 mm and 1.4 mm, is used as the metallic carrier (12). Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Netz einen Drahtdurchmesser einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,25 mm aufweist.Gas diffusion electrode (5) according to any one of the preceding claims, wherein the network has a wire diameter in a range between 0.1 mm and 0.25 mm. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode (5) zur CO2-Verwertung, umfassend - Herstellung einer Mischung aus metallischen Partikel (13) und zumindest einem Bindematerial (15) unter Ausbildung einer Mischung, - Auftragen der Mischung auf einen metallischen Träger (12), sowie - Einbettung der aufgetragenen Mischung in den metallischen Träger (12), wobei die metallischen Partikel (13) bei der Herstellung der Mischung zumindest in Teilbereichen (16) mit dem polymeren Bindematerial (15) beschichtet werden.Method for producing a gas diffusion electrode (5) for CO 2 utilization, comprising - producing a mixture of metallic particles (13) and at least one binding material (15) while forming a mixture, - applying the mixture to a metallic carrier (12), and - Embedding the applied mixture in the metallic carrier (12), the metallic particles (13) being coated with the polymeric binding material (15) at least in partial areas (16) during the production of the mixture. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Mischung mittels eines Extraktionsverfahrens in den metallischen Träger (12) eingebettet wird.Procedure according to Claim 13 , wherein the mixture is embedded in the metallic carrier (12) by means of an extraction process. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Mischung durch trockenes Aufwalzen in den metallischen Träger (12) eingebettet wird.Procedure according to Claim 13 , the mixture being embedded in the metallic carrier (12) by dry rolling. Elektrolysezelle (31, 33, 35), umfassend eine Gasdiffusionselektrode (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12. Electrolysis cell (31, 33, 35), comprising a gas diffusion electrode (5) according to one of the Claims 1 to 12 ,
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