EP4382637A1 - Gasdiffusionselektrode basierend auf porösen hydrophoben substraten mit einem stromsammler und deren herstellung - Google Patents

Gasdiffusionselektrode basierend auf porösen hydrophoben substraten mit einem stromsammler und deren herstellung Download PDF

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Publication number
EP4382637A1
EP4382637A1 EP22211300.3A EP22211300A EP4382637A1 EP 4382637 A1 EP4382637 A1 EP 4382637A1 EP 22211300 A EP22211300 A EP 22211300A EP 4382637 A1 EP4382637 A1 EP 4382637A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion electrode
current collector
catalyst layer
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22211300.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Filippi
Tim MÖLLER
Peter Strasser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Berlin
Original Assignee
Technische Universitaet Berlin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Berlin filed Critical Technische Universitaet Berlin
Priority to EP22211300.3A priority Critical patent/EP4382637A1/de
Priority to EP23813394.6A priority patent/EP4630604A1/de
Priority to PCT/EP2023/083329 priority patent/WO2024120890A1/de
Publication of EP4382637A1 publication Critical patent/EP4382637A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/25—Reduction
    • C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • the invention relates to a gas diffusion electrode comprising a substrate, a catalyst layer and a current collector.
  • the substrate is electrically non-conductive, hydrophobic and has a pore structure.
  • the catalyst layer is applied to the substrate.
  • the current collector has a first side and a second side, the first side having a polymer layer section and an electrical potential application region.
  • the polymer layer section is coated with a polymer layer, while the electrical potential application region does not have a polymer layer.
  • the second side also has an electrical contacting section.
  • the electrical contacting section faces the catalyst layer, so that electrical contact with it is possible.
  • the catalyst layer can enable an electrical current to flow through the electrical contacting section and the electrical potential application region.
  • the invention relates to a system comprising an electrolysis cell which has the gas diffusion electrode according to the invention and a method for producing the gas diffusion electrode according to the invention.
  • Gas diffusion electrodes as such are generally known in the prior art.
  • a characteristic of a gas diffusion electrode is that three states of aggregation of substances are brought into contact with one another for an electrochemical reaction.
  • the catalyst as a component of the gas diffusion electrode, which has a solid state of aggregation, can catalyze the electrochemical reaction between a gaseous and liquid substance.
  • the gas diffusion electrode is provided with a pore structure in order to enable contact between the gaseous and liquid substances.
  • Gas diffusion electrodes have gained interest in the research world in recent years in order to take a step forward in terms of climate- and environmentally-friendly energy generation.
  • a gas diffusion electrode can be used to carry out an efficient electrochemical conversion of carbon dioxide (CO 2 ) into valuable carbon-based fuels and raw materials.
  • Gas diffusion electrodes can gain significant relevance, especially with regard to CO 2 reduction reactions.
  • Electrochemical CO 2 reduction is often carried out in H cells or two-compartment cells, in which an electrode is immersed in an electrolyte and the CO 2 is continuously flushed through.
  • this type of CO 2 supply however, only low CO 2 concentrations are achieved in the electrolyte, so that the associated current densities are also low (e.g. approx. 20 mA/cm 2 (milliamperes per square centimeter)).
  • current densities of over 100 mA/cm 2 are required.
  • gas diffusion electrodes are used in which the diffusion path of the CO 2 is reduced from approx. 50 ⁇ m to 50 nm, enabling the high currents required for industrial applications.
  • a particularly big problem with the industrial use of electrochemical CO 2 reduction has so far been the stability of the gas diffusion electrodes.
  • the gas diffusion electrode can also become flooded.
  • the flooding problem refers in particular to the fact that excess electrolyte can penetrate into the pore system of the gas diffusion electrode.
  • the disadvantage of this is that it leads to a poorer supply of CO 2 to the active catalyst species. This can limit the stability of the gas diffusion electrode to a few minutes or a few hours, which makes it unsuitable for use on a large industrial scale.
  • single-layer gas diffusion electrodes are also known in the prior art, but their functionality also suffers from the flooding problem described. This is due, among other things, to the fact that these types of gas diffusion electrodes, in particular their substrates, are based on materials that conduct electrical current and are therefore electrocatalytically active at the high cathodic potentials used in the electrochemical reduction of CO 2 and can thus catalyze unwanted reactions, such as the evolution of hydrogen. Other known reasons for the flooding problems are phenomena such as salt formation in the pores and/or electrowetting.
  • a Gortex substrate is used on which a catalyst material and a nickel mesh are applied.
  • the catalyst layer can contain platinum particles, a carbon carrier and PTFE as a binder and can be approximately 200 ⁇ m thick.
  • the nickel mesh on the catalyst serves as a current collector.
  • the gas diffusion electrode disclosed in Tiwari et al. (2016) is used in particular in the context of oxygen reduction reactions.
  • the object of the invention is to provide a gas diffusion electrode which eliminates the disadvantages of the prior art.
  • a gas diffusion electrode should be provided with which optimal electrochemical catalysis can be carried out.
  • the gas diffusion electrode should have a high functional stability.
  • a method should also be developed with which such a gas diffusion electrode can be produced.
  • the invention in a first aspect, relates to a gas diffusion electrode for electrolysis comprising a substrate, a catalyst layer and a current collector, wherein the substrate has a pore structure and comprises an electrically non-conductive and hydrophobic material, wherein the current collector has a first side and a second side, and the substrate functions as a carrier for the catalyst layer and the current collector, wherein the catalyst layer is arranged on the substrate, characterized in that the first side of the current collector has a polymer layer section and an electrical potential application region, wherein a polymer layer is present on the polymer layer section and the electrical potential application region can be electrically contacted and the second side comprises an electrical contacting section, wherein the electrical contacting section faces the catalyst layer so that an electrical current can flow through the gas diffusion electrode during electrolysis.
  • the combination of the features of the invention leads to a surprising synergistic effect, which leads to the advantageous properties and effects and the associated overall success of the invention, with the individual features interacting with one another.
  • the preferred gas diffusion electrode has proven to be surprisingly advantageous in a number of aspects.
  • a surprisingly great advantage of the preferred gas diffusion electrode is its excellent scalability.
  • Scalability preferably means designing the structure of the preferred gas diffusion electrode in such a way that, among other things, an application can be carried out in different dimensions (in particular length, width and/or height).
  • the preferred gas diffusion electrode can be used not only on a laboratory scale, but also in large-scale industrial applications.
  • a partial current density refers to the current density that flows into the formation of the products.
  • the partial Current density is a current density that flows at an electrode (anode or cathode) during a reaction.
  • the partial current density is the product of the current density used (cathodic or anodic) and the Faraday efficiency.
  • the higher achievable current density is also associated with a higher product rate, since the product rate is essentially proportional to the partial current density.
  • the product rate preferably means the amount of products that can be produced per unit electrode area.
  • Faraday efficiency means a measure to characterize the efficiency of the electrical current in the corresponding chemical reaction. The advantageously higher current density that can be achieved when using the preferred gas diffusion electrode is accompanied by a higher Faraday efficiency.
  • the flooding problem known in the prior art essentially does not occur with the preferred gas diffusion electrode.
  • the flooding problem in the context of gas diffusion electrodes means that the electrolyte can penetrate into the pores of the substrate and thus the CO 2 transport into the catalyst layer is hindered. This reduces the performance of a gas diffusion electrode and the service life.
  • adverse effects due to flooding problems do not occur with the preferred gas diffusion electrode because the flooding of the electrolyte into the gas diffusion electrode is prevented. This is achieved in particular by the hydrophobicity of the preferred substrate. Consequently, the preferred gas diffusion electrode advantageously has a high long-term stability, in particular the catalyst layer of the preferred gas diffusion electrode.
  • the preferred gas diffusion electrode is particularly advantageous in the reduction of CO 2.
  • the preferred gas diffusion electrode is also advantageous for other reactions and/or products.
  • surprisingly high local pH values can be achieved using the preferred gas diffusion electrode, enabling higher product rates of, for example, ethylene, ethanol, propanol, etc.
  • the term local pH refers to the pH value in the vicinity of the catalyst layer and is clear to the person skilled in the art, since the term "local pH value" is common in the art.
  • the local pH value corresponds to the concentration of protons in the vicinity of the catalyst layer, so that a higher local pH value is associated with a lower concentration of protons and, accordingly, with a high concentration of hydroxide ions.
  • the local pH value and thus the higher concentration of hydroxide ions can certainly have a beneficial effect on parameters such as the partial current density, without being limited to the exemplary parameter mentioned.
  • Another particular advantage of the preferred gas diffusion electrode is its ease of manufacture.
  • the preferred gas diffusion electrode can be provided using processes that have proven themselves in the prior art, so that it can advantageously be made available in a short time and without great effort.
  • gas diffusion electrode is clear to those skilled in the art and refers to an electrode that has a solid, liquid and gaseous interface.
  • a catalyst is used to support the electrochemical reaction between the liquid and gaseous phases during electrolysis.
  • Electrolysis is a process in which one or more chemical reactions take place, in which the oxidation and/or reduction state changes. Electrolysis is also a chemical process in which one or more chemical reactions are forced by the application of a direct electric current. In particular, ionic conduction occurs between the anode and cathode through the electrolyte, which enables ionic conduction. Electrolysis creates reaction products at the electrodes from the substances contained in the electrolyte.
  • the preferred gas diffusion electrode preferably comprises a substrate, a catalyst layer and a current collector.
  • the gas diffusion electrode comprises the entirety of the preferred components.
  • the substrate can also be referred to as a gas diffusion layer. Furthermore, the substrate is particularly dedicated to gas transport. In other words, the pore structure of the substrate makes it possible for a gas to be transported through the pores of the substrate to the catalyst layer. Furthermore, the substrate functions in particular as a carrier for the catalyst layer and the current collector.
  • the substrate can preferably take on a round or square shape and/or be designed as a membrane.
  • the substrate preferably has a length and/or a width that is many times greater than a thickness of the substrate. The multiple of the thickness, which preferably has the length and/or width of the substrate, can correspond to a factor of approximately 1.5, 2, 5, 100, 1,000, 10,000, 100,000 or more. Furthermore, it may be preferred that the substrate has a thickness in the submillimeter range up to the millimeter range, preferably between approximately 50 ⁇ m - 2 mm.
  • Terms such as substantially, approximately, etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 40%, preferably less than ⁇ 20%, particularly preferably less than ⁇ 10%, even more preferably less than ⁇ 5% and in particular less than ⁇ 1% and in particular include the exact value.
  • Partially preferably describes a tolerance of at least ⁇ 5%, particularly preferably at least ⁇ 10%, and in particular at least ⁇ 20%, in some cases at least ⁇ 40%.
  • the substrate is electrically non-conductive and hydrophobic.
  • the fact that the preferred material of the substrate should be electrically non-conductive is relevant in order to suppress any chemical side reactions and thus also to avoid flooding effects or flooding problems. Consequently, the electrical non-conductivity of the substrate ensures reliable operation during electrolysis.
  • the preferred hydrophobicity (or hydrophobicity) of the substrate advantageously ensures that the liquid portion, in particular the water portion, of an electrolyte is repelled by the substrate. This advantageously prevents electrolyte or undesirable amounts of electrolyte from penetrating the preferred pores of the substrate. This has the advantageous effect that flooding problems, which are known from the prior art and can lead to degradation of the catalyst layer, are avoided.
  • the hydrophobicity of the substrate is preferably characterized by a contact angle of or above approximately 90° if liquid, for example water, is brought into contact with the substrate.
  • the substrate preferably has a pore structure.
  • the pore structure of the substrate means in particular that the substrate has pores.
  • the pores are characterized by openings that are introduced into the substrate.
  • the pores or the pore structure enable molecules of a gas to penetrate into the catalyst layer of the gas diffusion electrode, which can then be catalyzed by the catalyst layer.
  • the catalyst layer is preferably present on the substrate.
  • the catalyst layer comprises a material that is capable of catalyzing a chemical reaction.
  • the catalyst layer can comprise metals and/or metal compounds that can occur in particular as active material during a reduction of CO 2.
  • the catalyst layer preferably comprises metal particles.
  • the catalyst layer is preferably located between the substrate and the current collector.
  • the current collector refers to a metal structure that has one or more openings and enables an electrical connection to the catalyst layer. Since it is preferred that the current collector comprises a metal, the electrical contact with the catalyst layer can be made by placing it directly on the catalyst layer. It may also be preferred to attach an electrically conductive intermediate layer between the current collector and the catalyst layer in order to ensure electrical contact.
  • the current collector can be designed as a metal grid or a monopolar plate.
  • the current collector preferably comprises a first side and a second side.
  • first side and second side of the current collector refer to sections of the current collector that can simplify a specification of the positions of individual components of the preferred gas diffusion electrode.
  • first side and second side of the current collector preferably refer to surface areas of the current collector that are opposite one another.
  • the first side and second side can preferably also correspond to the front and back of the current collector. It is also preferred that the first side of the current collector faces away from the catalyst layer, while the second side of the current collector faces the catalyst layer.
  • the first side of the current collector comprises a polymer layer section and an electrical potential application region.
  • the polymer layer section preferably designates a section of the first side of the current collector on which a polymer layer is applied.
  • the electrical potential application region preferably designates a section of the first side of the Current collector that does not have a polymer layer.
  • the polymer layer that is present on the polymer layer section of the first side of the current collector advantageously provides electrical insulation from an electrolyte. This is particularly relevant when the preferred gas diffusion electrode is used during electrolysis in an electrolyte.
  • the polymer layer on the current collector is particularly relevant for the reduction as such, for example for CO 2 reduction. This is because side reactions, such as hydrogen evolution, that can take place on the surface of the current collector are suppressed by the polymer layer.
  • the polymer layer is located on the current collector, with only the contact section and the electrical potential application area not being coated with the polymer layer in order to ensure safe electrical current transport.
  • side walls of the current collector particularly in the case of a monopolar plate or a grid or a grid structure, are also coated with the polymer layer.
  • the electrical potential application area of the current collector offers an electrical contacting option so that a current flow can be tapped via the electrical potential application area.
  • the electrical potential application area is preferably present on the first side of the current collector, for example in the case of a grid plate as a current collector. It may also be preferred that the electrical potential application area is attached to the first side and the second side of the current collector. The latter variant may be the case, for example, if the current collector is a monopolar plate and the electrical potential application area has a structure that can be contacted on two sides, e.g. with a terminal, for an electrical connection. It is therefore legitimate in the context of the invention to describe that the electrical potential application area is at least partially present on the first side of the current collector.
  • the second side of the current collector preferably comprises an electrical contacting section that does not have a polymer layer.
  • the second side and accordingly also the electrical contacting section face the catalyst layer.
  • the electrical contacting section preferably refers to the section that enables electrical contact between the current collector and the catalyst layer.
  • the electrical contacting section therefore preferably represents a region of the current collector that can be electrically contacted with the catalyst layer. This makes it possible for an electrical current to flow through the gas diffusion electrode during electrolysis. In particular, the electrical current can flow through the electrical potential application region of the current collector to the electrical contacting section and then to the catalyst layer.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the electrolysis comprises a reduction of gaseous carbon dioxide, carbon monoxide, oxygen, nitrogen, nitrogen oxide and/or nitrogen dioxide.
  • the preferred gas diffusion electrode can be used in a variety of electrolysis reactions.
  • the use of the preferred gas diffusion electrode is not limited to a specific electrolysis reaction.
  • the preferred gas diffusion electrode is particularly useful in the context of the reduction of carbon dioxide during electrolysis. This advantageously allows many products and/or precursors for the chemical, pharmaceutical and/or food industries to be obtained through the reduction of CO 2 which are of great importance, such as ethylene, formic acid, ethanol, propanol, etc., which can also be relevant for downstream products of electrochemical CO 2 reduction, such as polyethylene, ethylene oxide, synthetic fuels, etc.
  • CO 2 which are of great importance
  • ethylene, formic acid, ethanol, propanol, etc. which can also be relevant for downstream products of electrochemical CO 2 reduction, such as polyethylene, ethylene oxide, synthetic fuels, etc.
  • the average person skilled in the art knows that in addition to the reducing gas, the product also depends on the catalyst layer used.
  • the diverse application possibilities of the preferred gas diffusion electrode for electrolysis reactions provide an advantageous contribution to the state of the art.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the current collector is present as a monopolar plate or a grid structure, preferably as a monopolar plate. In a further preferred embodiment, the current collector is present as an expanded metal.
  • a grid structure is particularly advantageous on a laboratory scale, as it enables cost-effective and simple implementation.
  • a grid structure preferably means a grid-shaped metal plate, with a grid shape being formed by webs of the metal plate.
  • the terms grid structure and grid plate can be used synonymously in the context of the invention.
  • a monopolar plate preferably refers to a metal plate that has an electrical pole so that electrical current can flow through it.
  • the prefix "mono" is intended to suggest that the monopolar plate is a "single-pole plate".
  • the monopolar plate preferably has a substantially disk-shaped form. In particular, the length and/or width of the monopolar plate is many times greater than the thickness.
  • the monopolar plate preferably comprises openings, for example in order to insert holders for connection to other components through the openings, for example for the construction of an electrolysis cell. The openings are preferably also used for the passage of the electrolyte.
  • the monopolar plate preferably has webs. The webs are particularly preferably located in a middle section of the monopolar plate. Furthermore, it is preferred that the webs of a monopolar plate are introduced into a recess.
  • the monopolar plate can be easily scaled and processed.
  • the ease of processing can refer in particular to the easily implementable design options for the preferred webs.
  • the webs advantageously provide a flow field for the electrolyte, ie in particular a direction for the flow of the electrolyte.
  • the webs of the monopolar plate provide a path for the electrolyte through which the electrolyte can flow along the catalyst layer.
  • the grid structure does indeed have webs.
  • the grid shape of the grid structure means that there is no flow field, so that an additional flow field would have to be provided when using a grid structure.
  • the flow field for the electrolyte is also advantageously present due to the webs formed in it.
  • One advantage of using a monopolar plate is that, among other things, the provision of the flow field means that no additional space is required for a component which, if no flow field were present, would have to provide such a flow field.
  • the use of a preferred monopolar plate therefore also reduces the distance between the gas diffusion electrode as the cathode and an anode.
  • the use of a monopolar plate therefore advantageously improves the energy efficiency of the electrolysis process, since the smaller distance results in lower ohmic losses (power loss).
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the current collector is present as a monopolar plate and the electrical potential application region on the first side of the current collector is present as a section uncoated with the polymer layer.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the current collector is present as a grid structure and the electrical potential application region on the first side of the current collector is present as a section uncoated with the polymer layer.
  • a metal tape is applied to the electrical potential application area, particularly preferably in the case of a grid structure as a current collector.
  • the preferred metal tape can advantageously enable a reliable electrical contact.
  • the metal tape can be a copper tape, for example, without being limited to this example.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the current collector comprises webs, wherein the webs are arranged in parallel, serpentine or grid-like manner, wherein a parallel arrangement of the webs is preferred.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the current collector comprises a material selected from a group comprising nickel, titanium, aluminum, copper, gold, silver, stainless steel and/or combinations of the aforementioned materials.
  • the preferred materials for the current collector may function individually to provide the current collector, so that it may be preferred that the current collector essentially comprises one material.
  • the Current collectors may comprise two or more materials. Furthermore, it may be preferred that a combination of several materials is present.
  • a combination of several materials is to be understood as meaning, in particular, a chemical compound.
  • the chemical compound can, for example, have an ionic bond, covalent bond, metallic bond and/or weak bond.
  • the current collector can comprise an alloy as a material.
  • the use of the preferred materials for the current collector allows for optimal current transport, so that ohmic losses are kept as low as possible.
  • the materials mentioned are advantageous in that a sufficiently stable adhesion of the polymer layer to the current collector can be achieved.
  • the preferred gas diffusion electrode can thus be introduced into a variety of electrolytes without having to accept losses of the polymer layer. The reliability and long-term stability of the preferred gas diffusion electrode is thereby advantageously improved.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the current collector has a thickness between approximately 0.1 - 20 mm, preferably between approximately 0.5 - 10 mm, particularly preferably between approximately 0.5 - 5 mm.
  • the above-mentioned preferred thicknesses of the current collector are surprisingly advantageous in that by providing a flow field, an electrolyte can flow particularly easily along the preferred gas diffusion electrode during electrolysis. Furthermore, the above-mentioned thicknesses are advantageous in that the smallest possible distance can be made possible between the preferred gas diffusion electrode as a cathode and an anode in an electrolysis cell. In addition, the above-mentioned preferred thicknesses advantageously ensure efficient current transport, which would not be possible with electrically conductive structures that are too thin (e.g. in the nanometer range). The above-mentioned thicknesses therefore achieve several advantages that result in a surprising synergistic effect for the preferred gas diffusion electrode.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the polymer layer comprises a material selected from a group comprising polytetrafluoroethylene (PTFE) and/or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the polymer layer comprises a polymer from the group of perfluorinated polymers (such as PTFE and/or PFA (perfluoroalkoxy polymers)).
  • the polymer layer comprises a polymer from the group of non-perfluorinated polymers (such as polyetheretherketone (PEEK), polypropylene (PP) and/or an epoxy polymer from the group of epoxides).
  • the polymer layer comprises a polymer from the group of perfluorinated polymers and a polymer from the group of non-perfluorinated polymers.
  • the preferred materials for the polymer layer have proven to be advantageous in that they can achieve a sufficiently stable bond with the current collector and thus have a surprisingly high level of durability.
  • sufficient electrical insulation of the polymer layer section of the current collector is achieved by the preferred materials.
  • particularly precise electrical current can be tapped at the electrical potential application area.
  • this is also advantageous due to safety aspects, which illustrates the better applicability of the preferred gas diffusion electrode.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the pore structure of the substrate comprises pores with a diameter between approximately 100 nm - 50 ⁇ m (nanometers to micrometers), preferably approximately 100 nm - 20 ⁇ m, particularly preferably between approximately 100 nm - 10 ⁇ m.
  • the preferred diameters of the pores are advantageously suitable for reliably allowing a gas to pass through (e.g. CO 2 ), which can be reduced, for example. Furthermore, the preferred pore diameters are advantageous in that they can also influence the fact that the entry of liquid or liquid components of the electrolyte is prevented. This can advantageously prevent flooding and thus a loss of selectivity of the catalyst layer.
  • a gas to pass through e.g. CO 2
  • the preferred pore diameters are advantageous in that they can also influence the fact that the entry of liquid or liquid components of the electrolyte is prevented. This can advantageously prevent flooding and thus a loss of selectivity of the catalyst layer.
  • the selectivity of the catalyst layer means in particular that a certain chemical reaction can be preferentially catalyzed, although in principle several chemical reactions can take place on the catalyst layer. Either this particular reaction takes place preferentially or this reaction is the only one that takes place. A loss of selectivity therefore refers to a reduction in selectivity.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the substrate comprises a material selected from a group comprising polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), perfluoroethylenepropylene (FEP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and/or polychlorotrifluoroethylene (PCTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • FEP perfluoroethylenepropylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • the substrate comprises a material from the group of perfluorinated polymers (such as PTFE, PVDF, etc.). In a further preferred embodiment, the substrate comprises a material from the group of non-perfluorinated polymers (such as PE, PP, etc.). In a further preferred embodiment, the substrate comprises a material from the group of perfluorinated polymers and a material from the group of non-perfluorinated polymers.
  • group of perfluorinated polymers such as PTFE, PVDF, etc.
  • the substrate comprises a material from the group of non-perfluorinated polymers (such as PE, PP, etc.). In a further preferred embodiment, the substrate comprises a material from the group of perfluorinated polymers and a material from the group of non-perfluorinated polymers.
  • the above-mentioned preferred materials for the substrate are particularly advantageous due to their hydrophobicity, so that water can be repelled and thus in particular the entry of liquid components from the electrolyte during electrolysis can be prevented.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the substrate has a thickness between 0.1 - 2 mm, preferably between 0.1 - 1 mm, particularly preferably between 0.1 - 0.5 mm.
  • the above-mentioned preferred thicknesses of the substrate make it possible to take into account the effects of water repellency and the reliable introduction of a gas through the pores of the substrate. With the same porosity, a thicker Substrate less permeable to water. However, in order to allow gas to pass through the pores, the preferred substrate must not be too thick. The substrate thicknesses mentioned advantageously achieve a compromise between these two factors, which are relevant for the preferred gas diffusion electrode.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the catalyst layer comprises metal particles.
  • the catalyst layer comprises a material selected from a group comprising copper, copper oxide, silver, gold, tin, tin oxide, zinc, indium, bismuth, antimony, palladium, platinum, ruthenium, rhodium, iridium, rhenium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, scandium, yttrium, aluminum, carbon, nitrogen, boron, oxygen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, silicon, phosphorus, sulfur, gallium, germanium, arsenic, selenium, tellurium, lead, hafnium, tantalum, tungsten, osmium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium,
  • oxidized species of one or more of the materials mentioned i.e. oxides of one or more of the materials mentioned, e.g. metal oxides of preferred metals mentioned. It may also be preferred to use nitrides of one or more of the materials mentioned for the catalyst layer.
  • the catalyst layer can be used for the catalyst layer, so that there is no restriction to a specific material class.
  • the catalyst layer comprises metal particles is particularly advantageous because it can be provided particularly easily using process technologies that have proven themselves in the prior art and has proven to be particularly efficient for possible catalytic reactions. Furthermore, metal particles can advantageously be distributed over a large area on the substrate, so that large-area catalysis can also be carried out accordingly.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the catalyst layer comprises a binder, wherein the binder preferably comprises a material selected from a group comprising Nafion, Sustainion, polytetrafluoroethylene (PTFE) and/or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the binder preferably comprises a material selected from a group comprising Nafion, Sustainion, polytetrafluoroethylene (PTFE) and/or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the catalyst layer comprises a material from a group of ionomers (such as Nafion and/or Sustainion) as a binder.
  • the binder is a purely polymeric binder (such as PTFE and/or PVDF).
  • the binder can comprise a material from the group of ionomers and a material from the group of polymers.
  • the binder preferably serves to enable a long-lasting, stable bond between a material of the catalyst layer and the substrate.
  • the preferred binder can achieve a reliable bond between preferred metal particles and the substrate.
  • the preferred binders mentioned have proven to be advantageous, in particular, with regard to a firm bond between metal particles and the substrate.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the binding agent has a weight proportion of approximately 1-20%, preferably between approximately 1-10%, most preferably between approximately 1-5%, to the metal particles.
  • the weight proportions of the binder to the preferred metal particles mentioned allowed a sufficiently stable connection.
  • the preferred weight proportions mentioned have proven to be surprisingly advantageous in that a compromise was achieved between sufficient electrical conductivity and stability with regard to the connection. If the weight proportion of the binder were too high, there would be restrictions in electrical conductivity. If the weight proportion of the binder were too low, there would be losses in stability.
  • the preferred values of the weight proportion of the binder represent a surprisingly advantageous mean for considering both aspects.
  • the type or nature of the metal particles used for the catalyst layer is also relevant for the weight proportion of the binder.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the catalyst layer comprises an additive, wherein the additive is selected from a group comprising an additional catalyst material, a carrier material, a protective material and/or a conductivity additive.
  • the additive refers to a further additive in the catalyst layer in order to achieve further effects.
  • An additional catalyst material can advantageously achieve synergistic effects for the catalysis itself in addition to the catalyst material already present, such as the metal particles.
  • the partial current density for a product in particular the selectivity in the case of CO 2 reduction, can be increased unexpectedly strongly.
  • a carrier material preferably serves to advantageously distribute the metal particles of the catalyst layer.
  • the carrier material can increase the active surface of the metal particles used.
  • the carrier material can promote stability and charge transport.
  • a protective material preferably refers to an additionally applied layer with a protective effect for the catalyst layer.
  • the application of a protective layer can advantageously increase the longevity of the material to be catalyzed and the local pH value in favor of higher current densities.
  • a protective layer can, for example, contain ionomers such as Nafion, Sustainion, etc. and/or carbon-containing materials such as graphitic carbon (graphite), carbon nanotubes and/or graphene.
  • a conductivity additive is used in particular to increase electrical conductivity. This can be particularly helpful if a material is used as the material to be catalyzed that does not have sufficiently high electrical conductivity.
  • a well-known example of a material for the conductivity additive is carbon.
  • a conductivity additive can also be provided by doping, for example. The average person skilled in the art is able to select a suitable conductivity additive and add it to the catalyst layer depending on the application.
  • the proportion of binder can preferably depend on parameters of the catalyst layer.
  • the proportion of binder can depend on the particle size of the catalyst material used and/or the specific surface area.
  • the gas diffusion electrode is characterized in that the catalyst layer has a thickness between approximately 0.1 - 100 ⁇ m, preferably between approximately 0.1 - 50 ⁇ m, particularly preferably between approximately 1 ⁇ m - 25 ⁇ m, most particularly preferably between approximately 1 - 10 ⁇ m.
  • the thicknesses mentioned can provide a compact gas diffusion electrode and can be reproducibly applied to the substrate using known methods of the state of the art.
  • the invention relates to a system, preferably for carbon dioxide reduction, comprising an electrolysis cell, wherein the electrolysis cell is configured to receive a liquid electrolyte, preferably also a gas, for example gaseous carbon dioxide, wherein the electrolysis cell comprises an anode and a cathode, wherein the cathode is a preferred gas diffusion electrode.
  • a liquid electrolyte preferably also a gas, for example gaseous carbon dioxide
  • the electrolysis cell comprises an anode and a cathode, wherein the cathode is a preferred gas diffusion electrode.
  • the preferred system can also have other components. It can be preferred that the system has end plates so that the anode and cathode can be mechanically stabilized and inserted therein. Furthermore, seals are preferably present to prevent unwanted leakage of liquids and/or gases and to maintain separation of the electrolyte and gas compartments. A seal can therefore be understood as a separating element. It can also be preferred that a membrane is attached between the anode and cathode, for example a semipermeable membrane, a cation exchange membrane (e.g. comprising Nafion), an anion exchange membrane (e.g. comprising Sustainion), a bipolar membrane (e.g. comprising Fumasep) or a diaphragm (e.g. Zirfon).
  • a semipermeable membrane for example a semipermeable membrane, a cation exchange membrane (e.g. comprising Nafion), an anion exchange membrane (e.g. comprising Sustainion), a bipolar
  • the system can comprise a plurality of electrolysis cells comprising an anode and cathode as a preferred gas diffusion electrode, for example to obtain a series or parallel connection of a plurality of electrolysis cells.
  • a cell stack which is typically connected in series and is relevant for operation on an industrial scale.
  • the preferred method is advantageously particularly well suited to producing a preferred gas diffusion electrode.
  • the preferred gas diffusion electrode can advantageously be provided using proven processes of the state of the art, so that production can also be expanded to include mass production. This advantageously achieves a particularly high level of economic efficiency.
  • the preferred gas diffusion electrode can advantageously also be produced quickly. It is also advantageous that the preferred production method is particularly safe for a user, so that there are no concerns about safety. The preferred method is therefore advantageously particularly user-friendly.
  • a substrate is preferably provided, the substrate having a pore structure and comprising an electrically non-conductive and hydrophobic material.
  • a current collector comprising a first side and a second side is preferably provided.
  • the first side has a polymer layer section and an electrical potential application region. It may also be preferred that the electrical potential application region is provided.
  • the second side faces the catalyst layer.
  • the polymer layer section is coated with a polymer layer. It may also be preferable to coat the second side of the current collector substantially completely with the polymer layer and then to remove part of the polymer layer in order to provide the electrical potential application area. Furthermore, it is preferable that the current collector is substantially completely coated with the Polymer layer is coated and then the polymer layer is removed from the electrical potential application area and electrical contact section.
  • the preferred gas diffusion electrode In order for the preferred gas diffusion electrode to have a catalyst layer, it is preferred to coat the substrate with a catalyst layer.
  • the electrical contacting section is preferably contacted with the catalyst layer so that an electrical contact is established between the current collector and the catalyst layer.
  • the method is characterized in that the coating of the catalyst layer onto the substrate is carried out by a chemical wet process, wherein the chemical wet process is preferably selected from a group comprising spray coating, dip coating, spin coating, inkjet printing and/or doctor blading.
  • a chemical wet process refers to a coating process in which the material to be coated is applied using a material which is in the liquid phase.
  • the preferred metal particles are dispersed in a liquid and then coated onto the substrate in order to provide the catalyst layer.
  • the preferred chemical wet processes comprising spray coating, dip coating, spin coating, inkjet printing and/or doctor coating have proven to be particularly useful for this purpose.
  • other chemical wet processes can also be used to coat the catalyst layer onto the substrate, without being limited to the preferred chemical wet processes mentioned.
  • gas deposition methods for example physical gas phase deposition methods (such as sputtering) can be used for this purpose.
  • the method is characterized in that the polymer layer section is coated with a polymer layer using a powder coating method.
  • Other coating methods can also be used to coat the polymer layer on the current collector.
  • a powder coating process (also called powder coating) refers to a coating process with which the current collector is coated using a powder coating. It may be preferred that the first side of the current collector is coated substantially completely.
  • the electrical potential application area can then preferably be and the polymer layer portion is provided by removing the coated polymer at the locations relevant to the electrical potential application region.
  • the entire current collector in particular the first and second sides, essentially completely with the polymer layer.
  • the polymer layer can then preferably be removed in sections so that the polymer layer remains on the polymer layer section and the electrical potential application region is provided.
  • the polymer layer on the second side is preferably also removed in order to provide the electrical contacting section.
  • Removal of the coated polymer to provide the electrical potential application region and the polymer layer on the polymer layer portion may be accomplished, for example, mechanically (e.g., by milling or scratching), by the action of heat and/or a laser.
  • the above exemplary methods, but are not limited thereto, may also be used to remove the polymer layer when it has been coated on the first and second sides of the current collector.
  • Powder coating processes can also be carried out particularly efficiently in large-scale industrial applications and are particularly useful for preferred materials, such as PTFE and/or PEEK, for the polymer layer.
  • the provision of the current collector includes the provision of a raw socket for the current collector.
  • the raw socket here means a metallic structure without a coating, so that the geometric design of the current collector is made possible by the raw socket.
  • the raw socket per se means the current collector, which has no coating whatsoever.
  • the raw socket also includes webs, so that the arrangement of the webs can also be specified by the raw socket.
  • the provision of the raw frame can preferably be carried out by etching, milling, punching and/or lasering a metallic material.
  • the preferred methods and/or components comprising etching, milling, punching and/or lasering have proven to be particularly well suited to providing the raw frame.
  • the arrangement of the webs can advantageously be carried out particularly precisely and quickly.
  • Fig.1 schematically shows a preferred embodiment of a current collector 7 .
  • Fig. 1a shows the first side of the current collector 7, while Fig. 1b the second side of the current collector 7.
  • the current collector 7 in the Fig.1 is designed as a monopolar plate.
  • the monopolar plate can be easily scaled and processed.
  • the ease of processing is particularly evident in the easily implemented design options for webs 15.
  • the webs 15 advantageously provide a flow field for the electrolyte, ie in particular enable a direction for the flow of the electrolyte.
  • the webs 15 of the monopolar plate thus provide a path for the electrolyte, through which the electrolyte can flow along the catalyst layer.
  • the webs 15 of the monopolar plate are located in a middle section of the monopolar plate, in particular within a recess of the monopolar plate.
  • An electrical contacting section 13 is located on the second side of the current collector 7 and faces a catalyst layer when installed in the preferred gas diffusion electrode, since the electrical contacting section 13 is used for electrically contacting the current collector 7 with the catalyst layer.
  • an electrical potential application area 9 is shown, which is present in particular on the first side of the current collector 7.
  • the electrical potential application area 9 is located on the first side and on the second side of the current collector 7.
  • the electrical potential application area 9 is structured in such a way that it can be contacted on both sides, for example with an electrical terminal for a contact.
  • the electrical potential application area 9 is not coated with the polymer layer and can therefore be electrically contacted. An electrical current can therefore advantageously be tapped at the electrical potential application area 9 during electrolysis.
  • Fig.2 schematically shows another preferred embodiment of the current collector 7 .
  • Fig 2a shows the first side of the current collector 7, while Fig. 2b the second side of the current collector 7.
  • the current collector 7 in the Fig.2 is designed as a grid structure (synonymously also grid plate).
  • a grid structure is particularly advantageous on a laboratory scale, as it can be provided or purchased inexpensively.
  • the person skilled in the art will recognize that the grid structure also has webs as a current collector (namely through the structures to maintain the grid shape), but there is no flow field due to the webs of the grid structure. Therefore, when using a grid structure as a current collector, an additional flow field is required.
  • a monopolar plate as a current collector 7 , a flow field for the electrolyte is already present due to the webs present in it.
  • the electrical potential application area 9 is a section not coated with the polymer layer. Furthermore, the electrical potential application area 9 can be provided with a metal tape in order to enable electrical contact with the current collector 7. In other words, the electrical potential application area 9, which belongs to the current collector 7 , is electrically contacted with the metal tape.
  • the electrical contacting section 13 is located on the second side of the current collector 7 and also serves for electrical contact with the catalyst layer of a preferred gas diffusion electrode.
  • Fig.3 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a gas diffusion electrode 1.
  • Fig. 3a is a side view
  • Fig. 3b shows a front view of the gas diffusion electrode 1.
  • the current collector 7 is a grid structure.
  • the gas diffusion electrode comprises a substrate 3, a catalyst layer 5 and the current collector 7.
  • the substrate 3 comprises an electrically non-conductive and hydrophobic material and has a pore structure.
  • the substrate 3 serves as a carrier for the catalyst layer 5 and the current collector 7.
  • the catalyst layer 5 is arranged on the substrate 3.
  • the first side of the current collector 7 has a polymer layer section.
  • an electrical potential application region 9 is present at least on the first side of the current collector 7.
  • the second side of the current collector 7 has the electrical contacting section which faces the catalyst layer 5.
  • the structure of the gas diffusion electrode 1 makes it possible for an electrical current to flow through the gas diffusion electrode 1 .
  • the electrical potential application area 9 is located on a border of the current collector 7 , but still allows a secure electrical contact.
  • the electrical potential application area 9 can also be applied with a metal tape, such as a copper tape, in order to establish the electrical contact.
  • the gas diffusion electrode 1 achieves a number of surprisingly advantageous effects, which were not expected and synergistic in their entirety.
  • the basic structure of the gas diffusion electrode 1 can be easily scaled to larger dimensions, so that a Transfer to large-scale plants is possible.
  • higher electrical current densities and thus also higher product rates can be generated, so that higher Faraday efficiencies can also be achieved.
  • the flooding problem described in the prior art which would lead to a loss of selectivity, does not occur.
  • the catalyst layer 5 is therefore advantageously stable over the long term, so that a high functional stability is achieved by the gas diffusion electrode 1.
  • the gas diffusion electrode 1 is advantageous in that an efficient electrical current is provided particularly reliably.
  • Fig.4 also shows a preferred embodiment of the gas diffusion electrode 1, whereby the current collector 7 is designed as a monopolar plate and not as in the Fig.3 as a lattice structure.
  • the basic structure according to the representation of the Fig.4 However, it corresponds to the Fig.3 .
  • Fig. 4a shows a side view and Fig. 4b a front view of the gas diffusion electrode 1.
  • a monopolar plate as a current collector 7 is particularly well suited for the gas diffusion electrode 1. This provides better scalability of the current collector 7 and the gas diffusion electrode 1. Furthermore, the monopolar plate is easy to process in order to provide a flow field for the electrolyte. In particular, by providing the flow field, the monopolar plate enables a close distance between an anode and the gas diffusion electrode as the cathode due to the arrangement of the webs, which also advantageously increases efficiency.
  • Fig.5 shows a preferred embodiment of a system having an electrolysis cell 17.
  • the gas diffusion electrode 1 represents a component of the electrolysis cell 17 .
  • the gas diffusion electrode 1 comprises a monopolar plate as a current collector 7 and a substrate 3, which is attached to the electrical contact section of the current collector 7.
  • the substrate 3 is coated with the catalyst layer 5 , which in the Fig.5 however, it cannot be seen.
  • seals 23 are present to prevent an undesirable flow of electrolyte into other components of the electrolysis cell 17.
  • the electrolysis cell 17 comprises a membrane 25 which is mounted between the gas diffusion electrode 1 and an anode 19.
  • end plates 21 hold the gas diffusion electrode together and ensure stability of the electrolysis cell 17.
  • Fig.6 shows measurement results for the electrochemical conversion of CO 2 with a grid structure as current collector.
  • Fig. 6b shows the results for the electrochemical conversion of CO 2 using a grid as a current collector, which is coated with a polymer layer.
  • the Faraday efficiency (FE) is plotted against the applied cathodic current density j.
  • the polymer coating suppresses hydrogen production, which advantageously leads to a higher Faraday efficiency to ethylene.
  • Fig. 6c the ratio between the Faraday efficiency of ethylene to hydrogen (FE Ethylene/Hydrogen) is plotted against the cathodic current density j.
  • the square symbols (“Coated copper grid”) represent the values for the coated grid current collector and the round symbols (“Uncoated copper grid”) represent the values for the uncoated grid current collector.
  • FE Faraday efficiency
  • Fig. 7b The cell potential (“Cell Potential”) is plotted on the Y-axis against time ("time") on the X-axis.
  • the dark line (“TUB monopolar plate design”) represents a measurement with the monopolar plate as a current collector and the lighter line (“TUB cell side contacting”) a measurement without a current collector. This clearly shows the behavior when a current is applied.
  • the potential is established immediately in the presence of the current collector, whereas without a current collector the potential initially drops to a very negative value and then slowly approaches a constant value. The better response of the potential when the current is applied makes the better electrical contact through the current collector clear.
  • Fig. 7c On the right is a photo of the monopolar plate as a current collector. On the left is a photo of a preferred embodiment of the gas diffusion electrode after a measurement. The impressions of the uncoated webs that ensure the electrical contact can be seen on the gas diffusion electrode. On the right is a photo of the monopolar plate.
  • Fig. 8a is a photo of an end plate 21 with a built-in grid structure as a current collector 7.
  • Fig. 8b shows the end plate 21 without the gas diffusion electrode. You can see the milled cavity for inserting the gas diffusion electrode.
  • Fig. 9a shows the first side of the monopolar plate with a parallel flow field.
  • Fig. 9b shows the second side of the monopolar plate with the parallel flow field, which is achieved by the arrangement of the webs 15.
  • Fig. 9c the first side of the current collector 7 is shown, while the Fig. 9d the second page shows.
  • the flow field of the monopolar plate according to the Fig. 9c and 9d is serpentine-shaped, which can also be provided by the corresponding arrangement of the webs 15 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode umfassend ein Substrat, eine Katalysatorschicht und einen Stromsammler. Das Substrat ist elektrisch nicht-leitend, hydrophob und weist eine Porenstruktur auf. Auf dem Substrat ist die Katalysatorschicht aufgebracht. Der Stromsammler weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich aufweist. Der Polymerschichtabschnitt ist mit einer Polymerschicht beschichtet, während der elektrische Potentialanlegebereich keine Polymerschicht aufweist. Ferner weist die zweite Seite einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt auf. Der elektrische Kontaktierungsabschnitt ist der Katalysatorschicht zugewandt, sodass eine elektrische Kontaktierung mit dieser ermöglicht wird. Durch die Katalysatorschicht kann ein elektrischer Stromfluss durch den elektrischen Kontaktierungsabschnitt und dem elektrischen Potentialanlegebereich ermöglicht werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System umfassend eine Elektrolysezelle, welche die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode aufweist und ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode umfassend ein Substrat, eine Katalysatorschicht und einen Stromsammler. Das Substrat ist elektrisch nicht-leitend, hydrophob und weist eine Porenstruktur auf. Auf dem Substrat ist die Katalysatorschicht aufgebracht. Der Stromsammler weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich aufweist. Der Polymerschichtabschnitt ist mit einer Polymerschicht beschichtet, während der elektrische Potentialanlegebereich keine Polymerschicht aufweist. Ferner weist die zweite Seite einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt auf. Der elektrische Kontaktierungsabschnitt ist der Katalysatorschicht zugewandt, sodass eine elektrische Kontaktierung mit dieser ermöglicht wird. Durch die Katalysatorschicht kann ein elektrischer Stromfluss durch den elektrischen Kontaktierungsabschnitt und dem elektrischen Potentialanlegebereich ermöglicht werden.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System umfassend eine Elektrolysezelle, welche die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode aufweist und ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode.
    • Hintergrund und Stand der Technik
  • Gasdiffusionselektroden als solche sind generell im Stand der Technik bekannt. Kennzeichnend für eine Gasdiffusionselektrode ist, dass drei Aggregatzustände von Stoffen miteinander in Kontakt gebracht werden für eine elektrochemische Reaktion. Dabei kann der Katalysator als eine Komponente der Gasdiffusionselektrode, welcher einen festen Aggregatzustand aufweist, die elektrochemische Reaktion zwischen einem gasförmigen und flüssigen Stoff katalysieren. Dazu ist es vorgesehen, dass die Gasdiffusionselektrode eine Porenstruktur aufweist, um den Kontakt zwischen dem gasförmigen und flüssigen Stoff zu ermöglichen.
  • Gasdiffusionselektroden haben in den letzten Jahren dahingehend an Interesse in der Forschungswelt gewonnen, um hinsichtlich klima- und umweltfreundlicher Energiegewinnung einen Schritt voranzukommen. Insbesondere kann es mithilfe einer Gasdiffusionselektrode ermöglicht werden, eine effiziente elektrochemische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in wertvolle kohlenstoffbasierte Brenn- und Rohstoffe auszuführen. Gerade im Hinblick auf CO2-Reduktionsreaktionen können Gasdiffusionselektroden eine nennenswerte Relevanz erlangen.
  • Häufig wird die elektrochemische CO2-Reduktion in H-Zellen oder Zwei-Kompartiment-Zellen durchgeführt, bei denen eine Elektrode in einem Elektrolyten eingetaucht und das CO2 kontinuierlich durchgespült wird. Bei dieser Art der CO2-Zuführung werden allerdings nur geringe CO2-Konzentrationen im Elektrolyten erreicht, sodass auch die damit einhergehenden Stromdichten gering sind (z. B. ca. 20 mA/cm2 (Milliampere pro Quadratzentimeter)). Um die elektrochemische CO2-Reduktion im industriellen Maßstab nutzen zu können, sind jedoch Stromdichten von über 100 mA/cm2 erforderlich. Um dies zu erreichen, werden Gasdiffusionselektroden eingesetzt, bei denen der Diffusionsweg des CO2 von ca. 50 µm auf 50 nm minimiert werden kann, was die für industriellen Anwendungen erforderlichen hohen Ströme ermöglicht.
  • Ein besonders großes Problem bei der industriellen Nutzung der elektrochemischen CO2-Reduktion ist bisher die Stabilität der Gasdiffusionselektroden. Es gibt viele Faktoren, die dazu führen können, dass es zu einem Leistungsverlust der Gasdiffusionselektrode kommt. Neben der Degradation des Katalysators oder des Substrates kann es auch zur Flutung der Gasdiffusionselektrode kommen. Mit dem Flutungsproblem ist insbesondere gemeint, dass überschüssiger Elektrolyt in das Porensystem der Gasdiffusionselektrode eindringen kann. Nachteilig führt dies zu einer schlechteren Zufuhr von CO2 zu den aktiven Katalysatorspezies. Dies kann die Stabilität der Gasdiffusionselektrode auf wenige Minuten oder einige Stunden beschränken, was den Einsatz im großindustriellen Maßstab unbrauchbar macht.
  • Neben den am häufigsten verwendeten Gasdiffusionselektrode-Typen auf Kohlenstoffbasis, die meistens zwei oder drei Schichten umfassen, sind im Stand der Technik auch einschichtige Gasdiffusionselektroden bekannt, deren Funktionalität aber auch unter dem beschriebenen Flutungsproblem leidet. Das liegt unter anderem daran, dass diese Arten von Gasdiffusionselektroden, insbesondere deren Substrate, auf Materialien beruhen, die elektrischen Strom leiten und daher bei den hohen kathodischen Potenzialen, die bei der elektrochemischen Reduktion von CO2 verwendet werden, elektrokatalytisch aktiv sind und somit ungewollte Reaktionen, wie z. B. die Wasserstoffentwicklung, katalysieren können. Weitere bekannte Gründe für die vorliegenden Flutungsprobleme sind Phänomene wie z. B. eine Salzbildung in den Poren und/oder auch eine Elektrobenetzung.
  • Im Stand der Technik liegen einige Vorschläge für einen Aufbau von Gasdiffusionselektroden vor. In Dinh et al. (2018) wird eine polymerbasierte Gasdiffusionselektrode beschrieben. Dabei weist die darin offenbarte Gasdiffusionselektrode ein PTFE-Substrat auf. Auf das PTFE-Substrat liegt eine Kupferschicht vor, auf die wiederrum Kohlenstoffpartikel und Graphit aufgebracht sind. Die Kohlenstoffpartikel und das Graphit, welche verschiedene Formen von Kohlenstoff darstellen, dienen hierbei als Stromsammler. Die in Dinh et al. (2018) beschriebene Gasdiffusionselektrode ist auch Gegenstand der Patentanmeldung US 2021/0218036 A1 .
  • Obwohl die in Dinh et al. (2018) bzw. US2021/0218036 A1 offenbarte Gasdiffusionselektrode durchaus vorteilhafte Effekte aufweist, wie z. B. eine Betriebstauglichkeit von 150 h (Stunden), liegt dennoch ein Bedarf an Optimierung vor. Um Strom von der Gasdiffusionselektrode abgreifen zu können, insbesondere vom Kohlenstoffsystem des Stromsammlers, ist eine seitliche elektrische Kontaktierung nötig. Dies führt zu einer inhomogenen Stromverteilung, die wiederrum nachteilig ist für die Stromausbeute und damit auch die Menge an herstellbaren Produkten.
  • Ein weiterer Einsatz zum Aufbau einer Gasdiffusionselektrode wird in Tiwari et al. (2018) offenbart. Dazu wird ein Gortex-Substrat verwendet, auf dem ein Katalysatormaterial und ein Nickelnetz aufgebracht werden. Die Katalysatorschicht kann Platinpartikel, einen Kohlenstoffträger sowie PTFE als Bindemittel aufweisen und ca. 200 µm dick sein. Das Nickelnetz auf dem Katalysator dient hierbei als Stromsammler. Die in Tiwari et al. (2018) offenbarte Gasdiffusionselektrode findet insbesondere Anwendung im Kontext von Sauerstoffreduktionsreaktionen.
  • Obwohl Ansätze von verbesserten Gasdiffusionselektroden im Stand der Technik vorliegen, gibt es dennoch den Bedarf, Gasdiffusionselektroden bereitzustellen, die sowohl hinsichtlich ihrem strukturellen Aufbau sowie ihrer Funktionalität effizienter ausgestaltet sind.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasdiffusionselektrode bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Insbesondere sollte eine Gasdiffusionselektrode bereitgestellt werden, mit der eine optimale elektrochemische Katalyse ausführbar ist. Weiterhin sollte die Gasdiffusionselektrode eine hohe Funktionsbeständigkeit aufweisen. Ferner sollte auch ein Verfahren entwickelt werden, mit dem eine solche Gasdiffusionselektrode hergestellt werden kann.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
  • In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Gasdiffusionselektrode für eine Elektrolyse umfassend ein Substrat, eine Katalysatorschicht und einen Stromsammler, wobei das Substrat eine Porenstruktur aufweist und ein elektrisch nicht-leitendes und hydrophobes Material umfasst, wobei der Stromsammler eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, sowie das Substrat als Träger für die Katalysatorschicht und den Stromsammler fungiert, wobei die Katalysatorschicht auf das Substrat angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite des Stromsammlers einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich aufweist, wobei auf dem Polymerschichtabschnitt eine Polymerschicht vorliegt und der elektrische Potentialanlegebereich elektrisch kontaktierbar ist und die zweite Seite einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt umfasst, wobei der elektrische Kontaktierungsabschnitt der Katalysatorschicht zugewandt ist, sodass ein elektrischer Strom durch die Gasdiffusionselektrode bei der Elektrolyse fließbar ist.
  • Die Kombination der Erfindungsmerkmale führt zu einem überraschenden Synergieeffekt, der zu den vorteilhaften Eigenschaften und Effekten und dem damit einhergehenden Gesamterfolg der Erfindung führt, wobei die einzelnen Merkmale in Wechselwirkung zueinanderstehen. Hierbei hat sich die bevorzugte Gasdiffusionselektrode in einer Vielzahl von Aspekten als überraschend vorteilhaft erwiesen.
  • Ein überraschend großer Vorteil der bevorzugten Gasdiffusionselektrode ist die hervorragende Skalierbarkeit. Mit der Skalierbarkeit ist vorzugsweise gemeint, den Aufbau der bevorzugten Gasdiffusionselektrode derart zu gestalten, dass unter anderem eine Anwendung in unterschiedlichen Dimensionen (insbesondere Länge, Breite und/oder Höhe) ausgeführt werden kann. Demzufolge ist der Einsatz der bevorzugten Gasdiffusionselektrode nicht nur im Labormaßstab, sondern auch in großindustriellen Anwendungen möglich.
  • Darüber hinaus ist es von überraschend großem Vorteil, dass mittels der bevorzugten Gasdiffusionselektrode höhere partielle Stromdichten resultieren. Der durchschnittliche Fachmann ist sich darüber im Klaren, dass mit einer partiellen Stromdichte die Stromdichte gemeint ist, die in die Bildung der Produkte hineinfließt. Insbesondere meint die partielle Stromdichte eine Stromdichte, welche an einer Elektrode (Anode oder Kathode) während eines Reaktionsablaufes fließt. Weiterhin weiß der Durchschnittsfachmann, dass sich die partielle Stromdichte durch das Produkt aus der angewandten Stromdichte (kathodisch oder anodisch) und der Faradayschen Effizienz ergibt. Vorteilhafterweise geht die höhere erzielbare Stromdichte auch mit einer höheren Produktrate einher, da die Produktrate im Wesentlichen proportional zur partiellen Stromdichte ist. Mit der Produktrate ist vorzugsweise die Menge an Produkten gemeint, die pro Elektrodenflächeneinheit produzierbar ist. So können vorteilhafterweise Stromdichten von über 300 mA/cm2 (Milliampere pro Quadratzentimeter) erzielt werden und dementsprechend deutliche höhere Produktraten, was ebenfalls für die industrielle Anwendbarkeit relevant ist. Insbesondere konnten vorteilhaft mittels der bevorzugten Gasdiffusionselektrode höhere Faradaysche Effizienzen erreicht werden. Mit der Faradayschen Effizienz ist im erfindungsgemäßen Kontext ein Maß gemeint, um die Effizienz des elektrischen Stromes bei der entsprechenden chemischen Reaktion zu charakterisieren. Die vorteilhaft höhere Stromdichte, die beim Einsatz der bevorzugten Gasdiffusionselektrode erreichbar ist, geht mit einer höheren Faradayschen Effizienz einher.
  • Weiterhin ist ein überraschend großer Vorteil, dass das im Stand der Technik bekannte Flutungsproblem im Wesentlichen durch die bevorzugte Gasdiffusionselektrode nicht auftritt. Wie eingangs beschrieben, ist mit dem Flutungsproblem im Kontext von Gasdiffusionselektroden gemeint, dass der Elektrolyt in die Poren des Substrates eindringen kann und somit der CO2 Transport in die Katalysatorschicht behindert wird. Hierdurch nimmt die Leistung einer Gasdiffusionselektrode und die Funktionsdauer ab. Vorteilhafterweise treten nachteilige Effekte durch Flutungsprobleme bei der bevorzugten Gasdiffusionselektrode nicht auf, da die Flutung vom Elektrolyt in die Gasdiffusionselektrode verhindert wird. Dies erfolgt insbesondere durch die Hydrophobizität des bevorzugten Substrates. Demzufolge weist die bevorzugte Gasdiffusionselektrode vorteilhafterweise eine hohe Langzeitstabilität auf, insbesondere die Katalysatorschicht der bevorzugten Gasdiffusionselektrode. Vor allem die Kombination der bevorzugten Komponenten der Gasdiffusionselektrode sowie deren Anordnung führten zu einer überraschend hohen Langzeitstabilität der Katalysatorschicht, die eine hervorragende Katalyse für chemische Reaktionen ermöglichte. Besonders vorteilhaft wirkt sich die bevorzugte Gasdiffusionselektrode bei der Reduktion von CO2 aus. Auch für andere Reaktionen und/oder Produkte ist die bevorzugte Gasdiffusionselektrode vorteilhaft.
  • So können beispielsweise mithilfe der bevorzugten Gasdiffusionselektrode überraschend hohe lokale pH-Werte erreicht werden, sodass höhere Produktraten von z. B. Ethylen, Ethanol, Propanol usw. ermöglicht werden. Der Begriff des lokalen pH-Wertes bezeichnet den pH-Wert in einer Umgebung der Katalysatorschicht und ist dem Fachmann klar, da der Ausdruck "lokaler pH-Wert" im Stand der Technik geläufig ist. Der lokale pH-Wert korrespondiert mit der Konzentration von Protonen in der Umgebung der Katalysatorschicht, sodass ein höherer lokaler pH-Wert mit einer niedrigeren Konzentration von Protonen und dementsprechend mit einer hohen Konzentration von Hydroxid-Ionen einhergeht. Dabei kann der lokale pH-Wert und damit die höhere Konzentration an Hydroxid-Ionen durchaus Parameter, wie z. B. die partielle Stromdichte vorteilhaft beeinflussen, ohne auf den genannten beispielhaften Parameter beschränkt zu sein. Ein weiterer besonderer Vorteil der bevorzugten Gasdiffusionselektrode ist die einfache Herstellbarkeit. Insbesondere kann die bevorzugte Gasdiffusionselektrode mit im Stand der Technik bewährten Prozessen bereitgestellt werden, sodass vorteilhaft die Zurverfügungstellung in einer kurzen Zeit sowie ohne hohen Aufwand erfolgen kann.
  • Der Begriff der Gasdiffusionselektrode ist dem Fachmann klar und bezeichnet eine Elektrode, die eine feste, flüssige und gasförmige Grenzfläche aufweist. Mithilfe eines Katalysators wird die elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase während einer Elektrolyse unterstützt.
  • Eine Elektrolyse bezeichnet einen Prozess, bei dem eine oder mehrere chemische Reaktionen ablaufen, bei denen sich der Oxidations- und/oder Reduktionszustand verändert. Weiterhin bezeichnet die Elektrolyse einen chemischen Prozess, bei dem durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromes die eine oder mehreren chemischen Reaktionen erzwungen werden. Insbesondere erfolgt dabei eine ionische Leitung zwischen Anode und Kathode durch den Elektrolyten, durch den die ionische Leitung ermöglicht wird. An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse Reaktionsprodukte aus den im Elektrolyten enthaltenen Stoffen.
  • Die bevorzugte Gasdiffusionselektrode umfasst vorzugsweise ein Substrat, eine Katalysatorschicht und einen Stromsammler. Insbesondere umfasst die Gasdiffusionselektrode die Gesamtheit der bevorzugten Komponenten.
  • Das Substrat kann im erfindungsgemäßen Kontext auch als Gasdiffusionslage (englisch: gas diffusion layer) bezeichnet werden. Ferner ist das Substrat insbesondere dem Gastransport gewidmet. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es durch die Porenstruktur des Substrates möglich, dass ein Gas durch die Poren des Substrates zur Katalysatorschicht beförderbar ist. Weiterhin fungiert das Substrat insbesondere als Träger für die Katalysatorschicht und den Stromsammler. Das Substrat kann bevorzugt eine runde oder eckige Form annehmen und/oder als eine Membran ausgebildet sein. Das Substrat weist bevorzugt eine Länge und/oder eine Breite auf, die um ein Vielfaches höher ist als eine Dicke des Substrates. Das Vielfache der Dicke, welches bevorzugt die Länge und/oder Breite des Substrates aufweist, kann einem Faktor von ca. 1,5, 2, 5, 100, 1 000, 10 000, 100 000 oder mehr entsprechen. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass das Substrat eine Dicke im Submillimeterbereich bis in den Millimeterbereich aufweist, vorzugsweise zwischen ca. 50 µm - 2 mm.
  • Begriffe wie im Wesentlichen, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 40 %, bevorzugt weniger als ± 20 %, besonders bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5 % und insbesondere weniger als ± 1 % und umfassen insbesondere den exakten Wert. Teilweise beschreibt bevorzugt eine Toleranz von mindestens ± 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens ± 10 %, und insbesondere zu mindestens ± 20 %, in einigen Fällen zu mindestens ± 40 %.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Substrat elektrisch nicht-leitend und hydrophob ist. Dass das bevorzugte Material des Substrats elektrisch nicht-leitend sein soll, ist dahingehend relevant, um jegliche chemische Nebenreaktionen zu unterdrücken und damit auch Flutungseffekte bzw. Flutungsprobleme zu vermeiden. Demzufolge gewährleistet die elektrische Nichtleitfähigkeit des Substrates einen zuverlässigen Betrieb während einer Elektrolyse.
  • Die bevorzugte Hydrophobizität (oder auch Hydrophobie) des Substrates sorgt vorteilhaft dafür, dass der Flüssigkeitsanteil, insbesondere der Wasseranteil, eines Elektrolyten vom Substrat eine Abweisung erfährt. Mithin kann vorteilhaft vermieden werden, dass Elektrolyt oder unerwünschte Mengen an Elektrolyt in die bevorzugten Poren des Substrates eindringen. Dies geht mit dem vorteilhaften Effekt einher, dass Flutungsprobleme, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind und zu Degradationen der Katalysatorschicht führen können, vermieden werden.
  • Die Hydrophobie des Substrates zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass ein Kontaktwinkel von oder über ca. 90° vorliegt, falls Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, mit dem Substrat in Kontakt gebracht wird.
  • Vorzugsweise weist das Substrat eine Porenstruktur auf. Mit der Porenstruktur des Substrates ist insbesondere gemeint, dass das Substrat Poren aufweist. Die Poren zeichnen sich durch Öffnungen aus, die im Substrat eingebracht sind. Durch die Poren bzw. der Porenstruktur wird es ermöglicht, dass Moleküle eines Gases in die Katalysatorschicht der Gasdiffusionselektrode eindringen können, die dann durch die Katalysatorschicht katalysierbar sind.
  • Die Katalysatorschicht liegt bevorzugt auf dem Substrat vor. Die Katalysatorschicht umfasst ein Material, welches in der Lage ist, eine chemische Reaktion zu katalysieren. So kann beispielsweise die Katalysatorschicht Metalle und/oder Metallverbindungen aufweisen, die insbesondere als aktives Material während einer Reduktion von CO2 auftreten können. Vorzugsweise umfasst die Katalysatorschicht Metallpartikel. Bevorzugt befindet sich die Katalysatorschicht zwischen dem Substrat und dem Stromsammler.
  • Der Stromsammler bezeichnet im erfindungsgemäßen Kontext eine Metallstruktur, die eine oder mehrere Öffnungen aufweist und eine elektrische Verbindung mit der Katalysatorschicht ermöglicht. Da es bevorzugt ist, dass der Stromsammler ein Metall umfasst, kann die elektrische Kontaktierung mit der Katalysatorschicht durch eine direkte Platzierung auf der Katalysatorschicht erfolgen. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht zwischen Stromsammler und Katalysatorschicht anzubringen, um für den elektrischen Kontakt zu sorgen. Beispielsweise kann der Stromsammler als ein Metallgitter oder eine Monopolarplatte ausgestaltet sein.
  • Der Stromsammler umfasst vorzugsweise eine erste Seite und eine zweite Seite. Mit den Ausdrücken "erste Seite" und "zweite Seite" des Stromsammlers sind Abschnitte des Stromsammlers gemeint, die eine Konkretisierung der Positionen einzelner Komponenten der bevorzugten Gasdiffusionselektrode vereinfachen können. Bevorzugt meinen die Ausdrücke "erste Seite" und "zweite Seite" des Stromsammlers Flächenanteile des Stromsammlers, die einander gegenübergestellt sind. Die erste Seite und zweite Seite können vorzugsweise auch mit der Vorderseite und Rückseite des Stromsammlers korrespondieren. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die erste Seite des Stromsammlers der Katalysatorschicht abgewandt ist, während die zweite Seite des Stromsammlers der Katalysatorschicht zugewandt ist.
  • Bevorzugt umfasst die erste Seite des Stromsammlers einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich. Der Polymerschichtabschnitt bezeichnet vorzugsweise einen Abschnitt der ersten Seite des Stromsammlers, auf dem eine Polymerschicht aufgebracht ist. Der elektrische Potentialanlegebereich bezeichnet bevorzugt einen Abschnitt der ersten Seite des Stromsammlers, der keine Polymerschicht aufweist. Durch die Polymerschicht, die auf dem Polymerschichtabschnitt der ersten Seite des Stromsammlers vorliegt wird vorteilhafterweise eine elektrische Isolierung gegenüber einem Elektrolyten erlangt. Dies ist besonders relevant, wenn die bevorzugte Gasdiffusionselektrode während einer Elektrolyse in einem Elektrolyten zum Einsatz kommt. Insbesondere ist die Polymerschicht an dem Stromsammler insbesondere für die Reduktion als solche relevant, beispielsweise für die CO2-Reduktion. Das liegt daran, dass Nebenreaktionen, wie z. B. die Wasserstoffentwicklung, die an der Oberfläche des Stromsammlers stattfinden können, durch die Polymerschicht unterdrückt werden.
  • Vorzugsweise befindet sich die Polymerschicht auf dem Stromsammler, wobei lediglich der Kontaktierungsabschnitt und der elektrische Potentialanlegebereich nicht mit der Polymerschicht beschichtet sind, um einen sicheren elektrischen Stromtransport gewährleisten zu können. In einer dreidimensionalen Betrachtungsweise sind beispielsweise auch Seitenwände des Stromsammlers, insbesondere im Falle einer Monopolarplatte oder eines Gitters bzw. einer Gitterstruktur, mit der Polymerschicht beschichtet.
  • Der elektrische Potentialanlegebereich des Stromsammlers bietet eine elektrische Kontaktierungsmöglichkeit, sodass ein Stromfluss über den elektrischen Potentialanlegebereich abgreifbar ist. Vorzugsweise liegt der elektrische Potentialanlegebereich auf der ersten Seite des Stromsammlers vor, beispielsweise im Falle einer Gitterplatte als Stromsammler. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass der elektrische Potentialanlegebereich auf der ersten Seite und auf der zweiten des Stromsammlers angebracht ist. Letztere Variante kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Stromsammler als Monopolarplatte vorliegt und der elektrische Potentialanlegebereich eine Struktur aufweist, die zweiseitig, mit z. B. einer Klemme, für eine elektrische Verbindung kontaktierbar ist. Mithin ist es im erfindungsgemäßen Kontext legitim zu beschreiben, dass der elektrische Potentialanlegebereich mindestens teilweise auf der ersten Seite des Stromsammlers vorliegt.
  • Die zweite Seite des Stromsammlers umfasst vorzugsweise einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt, der keine Polymerschicht aufweist. Die zweite Seite und dementsprechend auch der elektrische Kontaktierungsabschnitt sind der Katalysatorschicht zugewandt. Der elektrische Kontaktierungsabschnitt bezeichnet bevorzugt den Abschnitt, der die elektrische Kontaktierung zwischen Stromsammler und Katalysatorschicht ermöglicht. Damit stellt der elektrische Kontaktierungsabschnitt bevorzugt einen Bereich des Stromsammlers dar, der mit der Katalysatorschicht elektrisch kontaktierbar ist. Mithin wird es ermöglicht, dass ein elektrischer Strom durch die Gasdiffusionselektrode bei einer Elektrolyse fließbar ist. Insbesondere kann der elektrische Strom durch den elektrischen Potentialanlegebereich des Stromsammlers zum elektrischen Kontaktierungsabschnitt und dann zur Katalysatorschicht fließen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse eine Reduktion von gasförmigem Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff, Stickstoff, Stickstoffoxid und/oder Stickstoffdioxid umfasst.
  • Vorteilhafterweise lässt sich die bevorzugte Gasdiffusionselektrode in einer Vielzahl von Elektrolysereaktionen anwenden. Insbesondere ist die Nutzung der bevorzugten Gasdiffusionselektrode nicht auf eine bestimme Elektrolysereaktion beschränkt.
  • Besonders nützlich ist die bevorzugte Gasdiffusionselektrode im Kontext der Reduktion von Kohlenstoffdioxid während einer Elektrolyse. Vorteilhaft lassen sich hierdurch viele Produkte und/oder Vorläufer für die Chemie-, Pharma- und/oder Lebensmittelindustrie durch die Reduktion von CO2 gewinnen, die von großer Bedeutung sind, wie z. B. Ethylen, Ameisensäure, Ethanol, Propanol usw., die auch für Folgeprodukte der elektrochemischen CO2-Reduktion relevant sein können, wie z. B. Polyethylen, Ethylenoxid, synthetische Kraftstoffe etc. Der durchschnittliche Fachmann weiß, dass neben dem reduzierenden Gas das Produkt auch von der verwandten Katalysatorschicht abhängt. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der bevorzugten Gasdiffusionselektrode für Elektrolysereaktionen liefern einen vorteilhaften Beitrag zum Stand der Technik.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler als eine Monopolarplatte oder eine Gitterstruktur vorliegt, bevorzugt als eine Monopolarplatte. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Stromsammler als ein Streckmetall vor.
  • Die genannten bevorzugten Ausführungsformen zur Bereitstellung des Stromsammlers durch eine Gitterstruktur oder eine Monopolarplatte oder ein Streckmetall haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Eine Gitterstruktur ist insbesondere im Labormaßstab vorteilhaft, da eine kostengünstige und einfache Umsetzung ermöglicht wird. Eine Gitterstruktur meint vorzugszweige eine gitterförmige Metallplatte, wobei eine Gitterform durch Stege der Metallplatte gebildet wird. Die Begriffe Gitterstruktur und Gitterplatte können im erfindungsgemäßen Kontext synonym verwandt werden.
  • Eine Monopolarplatte bezeichnet vorzugsweise eine Metalplatte, die einen elektrischen Pol aufweist, sodass über diesen elektrischer Strom fließbar ist. Die Vorsilbe "Mono" soll bereits suggerieren, dass durch die Monopolarplatte eine "einpolige Platte" vorliegt. Die Monopolarplatte weist bevorzugt eine im Wesentlichen scheibenförmige Gestalt auf. Insbesondere ist die Länge und/oder Breite der Monopolarplatte um ein Vielfaches größer als die Dicke. Weiterhin umfasst die Monopolarplatte vorzugsweise Öffnungen, um beispielsweise über die Öffnungen Halterungen zur Verbindung mit weiteren Komponenten einzuführen, beispielsweise für den Aufbau einer Elektrolysezelle. Die Öffnungen werden vorzugsweise auch für die Durchleitung des Elektrolyten eingesetzt. Darüber hinaus weist die Monopolarplatte bevorzugt Stege auf. Besonders bevorzugt liegen die Stege in einem mittleren Abschnitt der Monopolarplatte. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Stege einer Monopolarplatte in einer Aussparung eingebracht sind.
  • Vorteilhafterweise kann die Monopolarplatte sowohl einfach skaliert als auch bearbeitet werden. Die einfache Bearbeitung kann sich insbesondere auf die leicht umsetzbaren Gestaltungsmöglichkeiten für die bevorzugten Stege beziehen. Durch die Stege wird vorteilhaft ein Flussfeld für den Elektrolyt bereitgestellt, d. h. insbesondere eine Richtungsvorgabe für den Fluss des Elektrolyten. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird durch die Stege der Monopolarplatte ein Weg für den Elektrolyten vorgegeben, durch den der Elektrolyt an der Katalysatorschicht entlang fließen kann.
  • Zwar weist die Gitterstruktur auch Stege auf. Im Gegensatz zur Monopolarplatte liegt durch die Gitterform der Gitterstruktur jedoch kein Flussfeld vor, sodass beim Einsatz einer Gitterstruktur ein zusätzliches Flussfeld bereitgestellt werden müsste. Beim Einsatz einer Monopolarplatte liegt vorteilhafterweise durch die darin gebildeten Stege auch das Flussfeld für den Elektrolyten vor. Vorteilhaft wird beim Einsatz einer Monopolarplatte unter anderem durch die Bereitstellung des Flussfeldes kein zusätzlicher Platz für eine Komponente benötigt, die, falls kein Flussfeld vorläge, ein solches Flussfeld liefern sollte. Damit wird durch den Einsatz einer bevorzugten Monopolarplatte auch der Abstand zwischen der Gasdiffusionselektrode als Kathode und einer Anode verringert. Mithin wird durch den Einsatz einer Monopolarplatte vorteilhaft die Energieeffizienz des Elektrolyseprozesses verbessert, da durch den geringeren Abstand niedrigere ohmsche Verluste (Verlustleistung) auftreten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler als eine Monopolarplatte vorliegt und der elektrische Potentialanlegebereich an der ersten Seite des Stromsammlers als ein mit der Polymerschicht unbeschichteter Abschnitt vorliegt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler als eine Gitterstruktur vorliegt und der elektrische Potentialanlegebereich an der ersten Seite des Stromsammlers als ein mit der Polymerschicht unbeschichteter Abschnitt vorliegt.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist am elektrischen Potentialanlegebereich ein Metalltape aufgebracht, besonders bevorzugt im Falle einer Gitterstruktur als Stromsammler. Durch das bevorzugte Metalltape kann vorteilhaft ein zuverlässiger elektrischer Kontakt ermöglicht werden. Das Metalltape kann beispielsweise ein Kupfertape sein, ohne auf dieses Beispiel beschränkt zu sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler Stege umfasst, wobei die Stege parallel, serpentinenförmig oder gitterförmig angeordnet sind, wobei eine parallele Anordnung der Stege bevorzugt ist.
  • Die genannten Anordnungen für die bevorzugten Stege des Stromsammlers haben sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass sie (bis auf die Gitterform, da dieses kein Flussfeld bietet) einen geeigneten Fluss des Elektrolyten an der Katalysatorschicht ermöglichen. Mithin bieten die bevorzugten Anordnungen für die Stege einen zuverlässigen Stromtransport über die Katalysatorschicht durch den Stromsammler hindurch.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Nickel, Titan, Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Edelstahl und/oder Kombinationen der vorgenannten Materialien.
  • Die bevorzugten Materialien für den Stromsammler können einzeln zur Bereitstellung des Stromsammlers fungieren, sodass es bevorzugt sein kann, dass der Stromsammler im Wesentlichen ein Material umfasst. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Stromsammler zwei oder mehr Materialien umfassen. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass eine Kombination mehrerer Materialien vorliegt.
  • Unter einer Kombination mehrerer Materialien ist im erfindungsgemäßen Kontext insbesondere eine chemische Verbindung aufzufassen. Die chemische Verbindung kann beispielsweise eine ionische Bindung, kovalente Bindung, metallische Bindung und/oder schwache Bindung aufweisen. So kann es beispielsweise sein, dass der Stromsammler eine Legierung als Material umfasst.
  • Vorteilhafterweise erlaubt die Nutzung der bevorzugten Materialien für den Stromsammler einen optimalen Stromtransport, sodass ohmsche Verluste möglichst geringgehalten werden. Darüber hinaus sind die genannten Materialien dahingehend von Vorteil, dass eine hinreichend stabile Haftung der Polymerschicht mit dem Stromsammler erreichbar ist. Vorteilhaft kann damit die bevorzugte Gasdiffusionselektrode in einer Vielzahl von Elektrolyten eingebracht werden, ohne Verluste der Polymerschicht hinnehmen zu müssen. Die Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität der bevorzugten Gasdiffusionselektrode wird hierdurch vorteilhaft verbessert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler eine Dicke aufweist zwischen ca. 0,1 - 20 mm, bevorzugt zwischen ca. 0,5 - 10 mm, besonders bevorzugt zwischen ca. 0,5 - 5 mm.
  • Die genannten bevorzugten Dicken des Stromsammlers sind dahingehend von überraschendem Vorteil, dass durch eine Bereitstellung eines Flussfeldes besonders einfach ein Elektrolyt während einer Elektrolyse entlang der bevorzugten Gasdiffusionselektrode fließen kann. Des Weiteren sind die genannten Dicken deshalb vorteilhaft, dass ein möglichst geringer Abstand zwischen der bevorzugten Gasdiffusionselektrode als Kathode und einer Anode in einer Elektrolysezelle ermöglicht werden kann. Darüber hinaus gewährleisten die genannten bevorzugten Dicken vorteilhafterweise einen effizienten Stromtransport, was bei zu dünnen elektrisch leitfähigen Strukturen (z. B. im Nanometerbereich) nicht möglich wäre. Mithin werden durch die genannten Dicken mehrere Vorteile erzielt, die einen überraschenden synergistischen Effekt für die bevorzugte Gasdiffusionselektrode zur Folge haben.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Polymerschicht ein Polymer aus der Gruppe der perfluorierten Polymere (wie z. B. PTFE und/oder PFA (Perfluoralkoxy-Polymere)). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Polymerschicht ein Polymer aus der Gruppe der nicht perfluorierten Polymere (wie z. B. Polyetheretherketon (PEEK), Polypropylen (PP) und/oder ein Epoxidpolymer aus der Gruppe der Epoxide). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Polymerschicht ein Polymer aus der Gruppe der perfluorierten Polymere und ein Polymer aus der Gruppe der nicht perfluorierten Polymere.
  • Die bevorzugten Materialien für die Polymerschicht haben sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass sie eine hinreichend stabile Bindung mit dem Stromsammler erzielen können und damit eine überraschend hohe Beständigkeit aufweisen. Darüber hinaus wird vorteilhafterweise eine hinreichende elektrische Isolierung des Polymerschichtabschnittes des Stromsammlers durch die bevorzugten Materialien erlangt. Einerseits kann vorteilhaft besonders präzise elektrischer Strom am elektrischen Potentialanlegebereich abgegriffen werden. Andererseits ist dies auch aufgrund von Sicherheitsaspekten vorteilhaft, was die bessere Anwendbarkeit der bevorzugten Gasdiffusionselektrode verdeutlicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur des Substrates Poren umfasst mit einem Durchmesser zwischen ca. 100 nm - 50 µm (Nanometer bis Mikrometer), bevorzugt ca. 100 nm - 20 µm, besonders bevorzugt zwischen ca. 100 nm - 10 µm.
  • Die bevorzugten Durchmesser der Poren eignen sich vorteilhafterweise dazu, zuverlässig ein Gas durchzulassen (z. B. CO2), welches beispielsweise reduziert werden kann. Des Weiteren sind die bevorzugten Porendurchmesser dahingehend von Vorteil, dass sie ebenfalls darauf Einfluss nehmen können, dass der Eintritt von Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitsanteilen des Elektrolyten verhindert wird. Vorteilhafterweise kann hierdurch eine Flutung und damit ein Selektivitätsverlust der Katalysatorschicht verhindert werden.
  • Mit der Selektivität der Katalysatorschicht ist insbesondere gemeint, dass eine bestimmte chemische Reaktion bevorzugt katalysierbar ist, obwohl grundsätzlich mehrere chemische Reaktionen an der Katalysatorschicht ablaufen können. Entweder diese bestimmte Reaktion läuft bevorzugt ab oder es läuft ausschließlich diese Reaktion ab. Ein Selektivitätsverlust bezeichnet somit eine Verringerung der Selektivität.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und/oder Polychlortrifluorethylen (PCTFE).
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat ein Material aus der Gruppe der perfluorierten Polymere (wie z. B. PTFE, PVDF, etc.). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat ein Material aus der Gruppe der nicht perfluorierten Polymere (wie z. B. PE, PP etc.). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat ein Material aus der Gruppe der perfluorierten Polymere und ein Material aus der Gruppe der nicht perfluorierten Polymere.
  • Die genannten bevorzugten Materialien für das Substrat sind insbesondere aufgrund Ihrer Hydrophobie vorteilhaft, sodass Wasser abgewiesen und damit insbesondere der Eintritt von Flüssigkeitsanteilen vom Elektrolyt während einer Elektrolyse verhindert werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Dicke aufweist zwischen 0,1 - 2 mm, bevorzugt zwischen 0,1 - 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 - 0,5 mm.
  • Durch die genannten bevorzugten Dicken des Substrates wird es vorteilhaft ermöglicht, die Effekte hinsichtlich einer Abweisung von Wasser sowie der zuverlässigen Einfuhr eines Gases durch die Poren des Substrates zu berücksichtigen. Bei gleicher Porosität ist ein dickeres Substrat weniger durchlässig für Wasser. Um Gas durch die Poren durchlassen zu können, darf das bevorzugte Substrat jedoch nicht zu dick sein. Die genannten Dicken des Substrates erzielen vorteilhafterweise einen Kompromiss zwischen diesen beiden Faktoren, die für die bevorzugte Gasdiffusionselektrode relevant sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht Metallpartikel umfasst.
  • Vorzugsweise umfasst die Katalysatorschicht ein Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Kupfer, Kupferoxid, Silber, Gold, Zinn, Zinnoxid, Zink, Indium, Bismut, Antimon, Palladium, Platin, Ruthenium, Rhodium, Iridium, Rhenium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel, Zirkonium, Niob, Molybdän, Technetium, Scandium, Yttrium, Aluminium, Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, lod, Silizium, Phosphor, Schwefel, Gallium, Germanium, Arsen, Selen, Tellur, Blei, Hafnium, Tantal, Wolfram, Osmium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium und/oder eine Kombination der vorgenannten Materialien.
  • Als besonders vorteilhaft haben sich Materialien wie z. B. Kupfer, Silber, Gold, Zink, Indium, Zinn, Bismut, Palladium und/oder Kombinationen dieser Materialien für eine CO2-Reduktion erwiesen.
  • Weiterhin kann es bevorzugt sein, von einem oder mehreren der genannten Materialien oxidierte Spezies zu verwenden, d. h. Oxide von einem oder mehreren der genannten Materialien, z. B. Metalloxide von bevorzugten Metallen, welche erwähnt wurden. Auch kann es bevorzugt sein, Nitride von einem oder mehreren der genannten Materialien für die Katalysatorschicht zu verwenden.
  • Vorteilhaft kann eine Vielzahl von Materialien für die Katalysatorschicht verwandt werden, sodass keine Einschränkung auf eine bestimmte Materialklasse gegeben ist.
  • Die bevorzugte Ausführungsform, dass die Katalysatorschicht Metallpartikel aufweist, ist besonders vorteilhaft, da sie besonders einfach mit im Stand der Technik bewährten Verfahrenstechnologien bereitstellbar ist und sich als besonders effizient für mögliche Katalysereaktionen erwiesen hat. Des Weiteren lassen sich vorteilhafterweise Metallpartikel großflächig auf das Substrat verteilen, sodass entsprechend auch eine großflächige Katalyse ausgeführt werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht ein Bindemittel aufweist, wobei bevorzugt das Bindemittel ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Nafion, Sustainion, Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Katalysatorschicht als Bindemittel ein Material aus einer Gruppe der lonomere (wie z. B. Nafion und/oder Sustainion). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsfrom ist das Bindemittel ein rein polymerer Binder (wie z. B. PTFE und/oder PVDF). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Bindemittel ein Material aus der Gruppe der lonomere und ein Material aus der Gruppe der Polymere umfassen. Das Bindemittel dient vorzugsweise dazu, eine langanhaltende stabile Verbindung zwischen einem Material der Katalysatorschicht und dem Substrat zu ermöglichen. So kann insbesondere durch das bevorzugte Bindemittel eine zuverlässige Bindung von bevorzugten Metallpartikeln an das Substrat erlangt werden. Die genannten bevorzugten Bindemittel haben insbesondere im Hinblick auf eine feste Anbindung von Metallpartikel auf das Substrat als vorteilhaft erwiesen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel einen Gewichtsanteil von ca. 1 - 20 %, bevorzugt zwischen ca. 1 - 10 %, ganz besonders bevorzugt zwischen ca. 1 - 5 %, zu den Metallpartikeln aufweist.
  • Es war überraschend vorteilhaft, dass die genannten Gewichtsanteile des Bindemittels zu den bevorzugten Metallpartikeln eine hinreichend stabile Verbindung zuließen. Die genannten bevorzugten Gewichtsanteile haben sich dahingehend als überraschend vorteilhaft erwiesen, dass ein Kompromiss zwischen einer hinreichenden elektrischen Leitfähigkeit und der Stabilität hinsichtlich der Anbindung erreicht wurde. Wäre der Gewichtsanteil des Bindemittels zu hoch, käme es zu Einschränkungen der elektrischen Leitfähigkeit. Wäre der Gewichtsanteil des Bindemittels zu niedrig, käme es zu Stabilitätsverlusten. Die genannten bevorzugten Werte des Gewichtsanteils des Bindemittels stellen eine überraschend vorteilhafte Mitte zur Beachtung beider Aspekte dar. Darüber hinaus ist für den Gewichtsanteil des Bindemittels auch die Art bzw. Beschaffenheit der verwendeten Metallpartikel für die Katalysatorschicht relevant.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht ein Additiv aufweist, wobei das Additiv ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein zusätzliches Katalysatormaterial, ein Trägermaterial, ein Schutzmaterial und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv.
  • Das Additiv bezeichnet im erfindungsgemäßen Kontext einen weiteren Zusatzstoff in der Katalysatorschicht, um weitere Effekte erzielen zu können.
  • Ein zusätzliches Katalysatormaterial kann vorteilhaft neben dem bereits vorhandenen Katalysatormaterial, wie z. B. den Metallpartikeln, für die Katalyse als solche synergistische Effekte erzielen. Beispielsweise kann die partielle Stromdichte für ein Produkt, insbesondere die Selektivität im Falle der CO2-Reduktion, unerwartet stark erhöht werden.
  • Ein Trägermaterial dient vorzugsweise der vorteilhaften Verteilung der Metallpartikel der Katalysatorschicht. Insbesondere kann durch das Trägermaterial die aktive Oberfläche der genutzten Metallpartikel erhöht werden. Ferner kann durch das Trägermaterial die Stabilität und der Ladungstransport begünstigt werden.
  • Ein Schutzmaterial (synonym auch Schutzschicht) bezeichnet vorzugsweise eine zusätzlich aufgebrachte Schicht mit einer Schutzwirkung für die Katalysatorschicht. Vorteilhafterweise kann die Aufbringung einer Schutzschicht die Langlebigkeit des zu katalysierenden Materials und den lokalen pH-Wert zugunsten höherer Stromdichten erhöhen. Eine Schutzschicht kann beispielsweise als Material lonomere wie Nafion, Sustainion usw. und/oder kohlenstoffhaltige Materialien, wie z. B. graphitischer Kohlenstoff (Graphit), Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Graphen aufweisen.
  • Ein Leitfähigkeitsadditiv dient insbesondere der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Dies kann besonders dann hilfreich sein, wenn ein Material als zu katalysierendes Material verwandt wird, welches keine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ein bekanntes Beispiel für ein Material für das Leitfähigkeitsadditiv ist Kohlenstoff. Ein Leitfähigkeitsadditiv kann beispielsweise auch durch eine Dotierung gegeben sein. Der durchschnittliche Fachmann ist in der Lage, ein geeignetes Leitfähigkeitsadditiv auszusuchen und in die Katalysatorschicht in Abhängigkeit des Anwendungsfalles einzufügen.
  • Der Anteil an Binder kann vorzugsweise von Parametern der Katalysatorschicht abhängen. So kann beispielsweise der Anteil der Binder von der Partikelgröße des verwandten Katalysatormaterials und/oder der spezifischen Oberfläche abhängig sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht eine Dicke aufweist zwischen ca. 0,1 - 100 µm, bevorzugt zwischen ca. 0,1 - 50 µm, besonders bevorzugt zwischen ca. 1 µm - 25 µm, ganz besonders bevorzugt zwischen ca. 1 - 10 µm.
  • Vorteilhafterweise können durch die genannten Dicken eine kompakte Gasdiffusionselektrode bereitgestellt werden sowie mit bekannten Methoden des Standes der Technik reproduzierbar auf das Substrat aufgebracht werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System, bevorzugt zur Kohlenstoffdioxid-Reduktion, umfassend eine Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyts, bevorzugt auch von einem Gas, beispielsweise gasförmiges Kohlenstoffdioxid, konfiguriert ist, wobei die Elektrolysezelle eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei die Kathode eine bevorzugte Gasdiffusionselektrode ist.
  • Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen, Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen für die bevorzugte Gasdiffusionselektrode gleichermaßen für das bevorzugte System gelten, und umgekehrt.
  • Der grundsätzliche Aufbau einer Elektrolysezelle ist dem durchschnittlichen Fachmann bekannt, sodass dieser an dieser Stelle nicht näher erläutert werden soll.
  • Das bevorzugte System kann auch weitere Komponenten aufweisen. So kann es bevorzugt sein, dass das System Endplatten aufweist, sodass die Anode und Kathode mechanisch stabilisiert und darin eingebracht werden können. Weiterhin liegen vorzugsweise Dichtungen vor, um einen unerwünschten Austritt von Flüssigkeiten und/oder Gasen zu vermeiden sowie eine Trennung vom Elektrolyten und Gas-Kompartimenten beizubehalten. Mithin kann eine Dichtung als ein Trennelement aufgefasst werden. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass eine Membran zwischen der Anode und Kathode angebracht ist, beispielsweise eine semipermeable Membran, eine Kationentauscher-Membran (z. B. umfassend Nafion), eine Anionentauscher-Membran (z. B. umfassend Sustainion), eine Bipolar-Membran (z. B. umfassend Fumasep) oder ein Diaphragma (z. B. Zirfon).
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das System mehrere Elektrolysezellen umfassend eine Anode und Kathode als bevorzugte Gasdiffusionselektrode aufweisen, um beispielsweise eine Reihen- oder Parallelschaltung von mehreren Elektrolysezellen zu erhalten. Insbesondere kann es bevorzugt sein, einen Zellstapel (englisch: stack) bereitzustellen, bei dem typischerweise eine Reihenschaltung vorliegt und relevant für den Betrieb im industriellen Maßstab ist.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung vorzugsweise ein Verfahren zur Herstellung einer bevorzugten Gasdiffusionselektrode umfassend folgende Schritte:
    1. a) Bereitstellung eines Substrates, welches eine Porenstruktur aufweist und ein elektrisch nicht-leitendes und hydrophobes Material umfasst,
    2. b) Bereitstellung eines Stromsammlers umfassend eine erste Seite und eine zweite Seite, wobei die erste Seite des Stromsammlers einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich und die zweite Seite einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt aufweist,
    3. c) Beschichtung des Substrates mit einer Katalysatorschicht,
    4. d) Beschichtung des Polymerschichtabschnittes des Stromsammlers mit einer Polymerschicht,
    5. e) Kontaktierung des elektrischen Kontaktierungsabschnittes des Stromsammlers mit der Katalysatorschicht.
  • Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen, Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen für die bevorzugte Gasdiffusionselektrode gleichermaßen für das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Gasdiffusionselektrode gelten, und umgekehrt.
  • Das bevorzugte Verfahren eignet sich vorteilhafterweise besonders gut, um eine bevorzugte Gasdiffusionselektrode herzustellen. Vorteilhaft kann die bevorzugte Gasdiffusionselektrode mit bewährten Prozessen des Standes der Technik bereitgestellt werden, sodass die Herstellung auch auf Massenproduktionen ausgeweitet werden kann. Hierdurch wird vorteilhaft eine besonders hohe Wirtschaftseffizienz erzielt. Darüber hinaus kann die bevorzugte Gasdiffusionselektrode vorteilhaft auch schnell hergestellt werden. Weiterhin ist es von Vorteil, dass das bevorzugte Herstellungsverfahren besonders sicher für einen Anwender ist, sodass es keine Bedenken hinsichtlich der Sicherheit gibt. Mithin ist das bevorzugte Verfahren vorteilhafterweise besonders anwendungsfreundlich.
  • Zur Herstellung der bevorzugten Gasdiffusionselektrode wird vorzugsweise ein Substrat bereitgestellt, wobei das Substrat eine Porenstruktur aufweist und ein elektrisch nicht-leitendes und hydrophobes Material umfasst. Zudem erfolgt vorzugsweise eine Bereitstellung eines Stromsammlers umfassend eine erste Seite und eine zweite Seite. Die erste Seite weist einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich auf. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass der elektrische Potentialanlegebereich bereitgestellt wird. Die zweite Seite ist der Katalysatorschicht zugewandt.
  • Vorzugsweise erfolgt eine Beschichtung des Polymerschichtabschnittes mit einer Polymerschicht. Es kann ebenfalls bevorzugt sein, die zweite Seite des Stromsammlers im Wesentlichen vollständig mit der Polymerschicht zu beschichten und anschließend einen Teil der Polymerschicht zu entfernen, um den elektrischen Potentialanlegebereich bereitzustellen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Stromsammler im Wesentlich vollständig mit der Polymerschicht beschichtet und daraufhin am elektrischen Potentialanlegebereich und elektrischen Kontaktierungsabschnitt die Polymerschicht entfernt wird.
  • Damit die bevorzugte Gasdiffusionselektrode eine Katalysatorschicht besitzen kann, ist es bevorzugt, das Substrat mit einer Katalysatorschicht zu beschichten.
  • Zudem wird vorzugsweise der elektrische Kontaktierungsabschnitt mit der Katalysatorschicht kontaktiert, sodass eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Stromsammler und der Katalysatorschicht gegeben ist.
  • Würde man die bevorzugte Gasdiffusionselektrode nach der bevorzugten Herstellung von unten betrachten, wäre folgende Reihenfolge der Komponenten und/oder der Schichten erkennbar: Substrat, Katalysatorschicht, elektrischer Kontaktierungsabschnitt des Stromsammlers, da der elektrische Kontaktierungsabschnitt der Katalysatorschicht zugewandt ist, Polymerschicht auf dem Polymerschichtabschnitt der ersten Seite des Stromsammlers.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Katalysatorschicht auf das Substrat durch ein chemisches Nassverfahren erfolgt, wobei bevorzugt das chemische Nassverfahren ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck und/oder Rakeln.
  • Im erfindungsgemäßen Sinne bezeichnet ein chemisches Nassverfahren ein Verfahren zur Beschichtung, bei dem das zu beschichtende Material mithilfe eines Materials aufgebracht wird, welches in der flüssigen Phase vorliegt. So kann es beispielsweise bevorzugt sein, dass die bevorzugten Metallpartikel in einer Flüssigkeit dispergiert sind und daraufhin auf das Substrat beschichtet werden, um die Katalysatorschicht bereitzustellen.
  • Die bevorzugten chemischen Nassverfahren umfassend Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck und/oder Rakeln haben sich hierfür als besonders nützlich erwiesen. Darüber hinaus können auch weitere chemische Nassverfahren zur Beschichtung der Katalysatorschicht auf das Substrat verwandt werden, ohne auf die bevorzugt genannten chemischen Nassverfahren beschränkt zu sein.
  • In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können auch andere Verfahren eingesetzt werden, um die Katalysatorschicht auf das Substrat anzubringen. So können beispielsweise Gasabscheidungsverfahren, beispielsweise Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (wie z. B. Sputtern) dazu verwandt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Polymerschichtabschnittes mit einer Polymerschicht durch ein Pulverbeschichtungsverfahren erfolgt. Auch andere Beschichtungsverfahren können für die Beschichtung der Polymerschicht auf den Stromsammler eingesetzt werden.
  • Ein Pulverbeschichtungsverfahren (wird auch als Pulverbeschichten betitelt) bezeichnet ein Beschichtungsverfahren, mit dem der Stromsammler mithilfe eines Pulverlacks beschichtet wird. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die erste Seite des Stromsammlers im Wesentlichen vollständig beschichtet wird. Daraufhin kann vorzugsweise der elektrische Potentialanlegebereich und der Polymerschichtabschnitt bereitgestellt werden, indem das beschichte Polymer an den für den elektrischen Potentialanlegebereich relevanten Stellen entfernt wird.
  • Ebenfalls kann es bevorzugt sein, den gesamten Stromsammler, insbesondere die erste und die zweite Seite, im Wesentlichen vollständig mit der Polymerschicht zu beschichten. Daraufhin kann vorzugsweise eine abschnittsweise Entfernung der Polymerschicht erfolgen, sodass die Polymerschicht auf dem Polymerschichtabschnitt verbleibt und der elektrische Potentialanlegebereich bereitgestellt wird. Ferner wird vorzugsweise, nachdem die Polymerschicht auf der ersten und zweiten Seite des Stromsammlers im Wesentlichen vollständig beschichtet wurde, auch eine Entfernung der Polymerschicht an der zweiten Seite vorgenommen, um den elektrischen Kontaktierungsabschnitt bereitzustellen.
  • Die Entfernung des beschichteten Polymers zur Bereitstellung des elektrischen Potentialanlegebereiches und der Polymerschicht auf dem Polymerschichtabschnitt kann beispielsweise mechanisch erfolgen (z. B. durch Fräsen oder Kratzen), durch die Wirkung von Wärme und/oder eines Lasers. Die genannten beispielhaften Verfahren, ohne darauf eingeschränkt zu sein, können auch für die Entfernung der Polymerschicht verwandt werden, wenn sie auf der ersten und zweiten Seite des Stromsammlers beschichtet wurde.
  • Ebenfalls kann es bevorzugt sein, die Beschichtung lediglich im Polymerschichtabschnitt auszuführen, sodass mit einem Schritt sowohl die Polymerschicht auf dem Polymerschichtabschnitt als auch der elektrische Potentialanlegebereich bereitgestellt wird.
  • Pulverbeschichtungsverfahren lassen sich vorteilhaft auch in Großindustriellen Anwendungen besonders effizient ausführen und sind besonders nützlich für bevorzugte Materialien, wie z. B. PTFE und/oder PEEK, für die Polymerschicht.
  • Vorzugsweise umfasst die Bereitstellung des Stromsammlers eine Bereitstellung einer Rohfassung für den Stromsammler. Die Rohfassung meint hierbei eine metallische Struktur ohne Beschichtung, sodass durch die Rohfassung die geometrische Ausgestaltung des Stromsammlers ermöglicht wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, meint die Rohfassung für sich genommen den Stromsammler, der keinerlei Beschichtung aufweist. Insbesondere umfasst die Rohfassung auch Stege, sodass durch die Rohfassung auch die Anordnung der Stege vorgegeben werden kann.
  • Die Bereitstellung der Rohfassung kann bevorzugt durch Ätzen, Fräsen, Stanzen und/oder Lasern eines metallischen Materials erfolgen. Die bevorzugten Verfahren und/oder Komponenten umfassend Ätzen, Fräsen, Stanzen und/oder Lasern haben sich als besonders gut geeignet erwiesen, um die Rohfassung bereitzustellen. Insbesondere lässt sich vorteilhaft die Anordnung der Stege besonders präzise und schnell bewerkstelligen.
  • Die erfindungsgemäßen Aspekte sollen im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert werden, ohne auf diese Figuren beschränkt zu sein.
    • FIGUREN Kurzbeschreibung der Figuren
    • Fig. 1
    Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Stromsammlers
    Fig. 2
    Schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Stromsammlers
    Fig. 3
    Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Gasdiffusionselektrode
    Fig. 4
    Schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Gasdiffusionselektrode
    Fig. 5
    Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems
    Fig. 6
    Messergebnisse für die elektrochemische Performance einer Gitterstruktur als Stromsammler
    Fig. 7
    Messergebnisse für die elektrochemische Performance einer Monopolarplatte als Stromsammler
    Fig. 8
    Fotos eines Einbaus einer bevorzugten Gasdiffusionselektrode
    Fig. 9
    Fotos einer Monopolarplatte als Stromsammler
    Detaillierte Beschreibung der Figuren
  • Fig. 1 stellt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromsammlers 7 dar. Fig 1a zeigt die erste Seite des Stromsammlers 7, während Fig. 1b die zweite Seite des Stromsammlers 7 abbildet. Der Stromsammler 7 in der Fig. 1 ist als Monopolarplatte ausgeführt.
  • Vorteilhafterweise kann die Monopolarplatte sowohl einfach skaliert als auch bearbeitet werden. Die einfache Bearbeitung zeigt sich insbesondere in die einfach umsetzbaren Gestaltungsmöglichkeiten für Stege 15. Durch die Stege 15 wird vorteilhaft ein Flussfeld für den Elektrolyten bereitgestellt, d. h. insbesondere eine Richtungsvorgabe für den Fluss des Elektrolyten ermöglicht. Damit wird durch die Stege 15 der Monopolarplatte ein Weg für den Elektrolyten vorgegeben, durch den der Elektrolyt an der Katalysatorschicht entlang fließen kann. Die Stege 15 der Monopolarplatte liegen in einem mittleren Abschnitt der Monopolarplatte, insbesondere innerhalb in einer Aussparung der Monopolarplatte.
  • Ein elektrischer Kontaktierungsabschnitt 13 befindet sich auf der zweiten Seite des Stromsammlers 7 und ist beim Einbau in die bevorzugte Gasdiffusionselektrode einer Katalysatorschicht zugewandt, da der elektrische Kontaktierungsabschnitt 13 für eine elektrische Kontaktierung des Stromsammlers 7 mit der Katalysatorschicht verwandt wird.
  • Ferner ist ein elektrischer Potentialanlegebereich 9 dargestellt, der insbesondere auf der ersten Seite des Stromsammlers 7 vorliegt. In der gemäß der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform liegt der elektrische Potentialanlegebereich 9 an der ersten Seite und an der zweiten Seite des Stromsammlers 7 vor. Der elektrische Potentialanlegebereich 9 ist hierbei derart strukturiert, dass dieser beispielsweise mit einer elektrischen Klemme für einen Kontakt beidseitig kontaktierbar ist. Der elektrische Potentialanlegebereich 9 ist mit der Polymerschicht nicht beschichtet und ist damit elektrisch kontaktierbar. Mithin kann vorteilhaft ein elektrischer Strom bei einer Elektrolyse am elektrischen Potentialanlegebereich 9 abgegriffen werden.
  • Fig. 2 stellt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsammlers 7 dar. Fig 2a zeigt die erste Seite des Stromsammlers 7, während Fig. 2b die zweite Seite des Stromsammlers 7 abbildet. Der Stromsammler 7 in der Fig. 2 ist als Gitterstruktur (synonym auch Gitterplatte) ausgeführt.
  • Eine Gitterstruktur ist insbesondere im Labormaßstab vorteilhaft, da sie kostengünstig bereitgestellt oder erwerbt werden kann. Der Fachmann erkennt, dass auch die Gitterstruktur als Stromsammler Stege aufweist (nämlich durch die Strukturen, um die Gitterform zu erhalten), jedoch liegt durch die Stege der Gitterstruktur kein Flussfeld vor. Mithin wird beim Einsatz einer Gitterstruktur als Stromsammler ein zusätzliches Flussfeld benötigt. Beim Einsatz einer Monopolarplatte als Stromsammler 7 liegt durch die darin vorhandenen Stege bereits ein Flussfeld für den Elektrolyten vor.
  • Der elektrische Potentialanlegebereich 9 ist hierbei ein mit der Polymerschicht unbeschichteter Abschnitt. Ferner kann der elektrische Potentialanlegebereich 9 mit einem Metalltape versehen werden, um einen elektrischen Kontakt zum Stromsammler 7 zu ermöglichen. Anders ausgedrückt, wird der elektrische Potentialanlegebereich 9, der zum Stromsammler 7 gehört, mit dem Metalltape elektrisch kontaktiert.
  • Der elektrische Kontaktierungsabschnitt 13 liegt an der zweiten Seite des Stromsammlers 7 vor und dient ebenfalls der elektrischen Kontaktierung mit der Katalysatorschicht einer bevorzugten Gasdiffusionselektrode.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Gasdiffusionselektrode 1. Fig. 3a ist eine Seitenansicht, während Fig. 3b eine Frontalansicht der der Gasdiffusionselektrode 1 zeigt. In der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 liegt der Stromsammler 7 als Gitterstruktur vor.
  • Die Gasdiffusionselektrode umfasst ein Substrat 3, eine Katalysatorschicht 5 und den Stromsammler 7. Das Substrat 3 umfasst ein elektrisch nicht-leitendes und hydrophobes Material und weist eine Porenstruktur auf. Das Substrat 3 dient als Träger für die Katalysatorschicht 5 und den Stromsammler 7. Dabei ist die Katalysatorschicht 5 auf das Substrat 3 angeordnet. Die erste Seite des Stromsammlers 7 weist einen Polymerschichtabschnitt auf. Weiterhin liegt mindestens an der ersten Seite des Stromsammlers 7 ein elektrischer Potentialanlegerbereich 9 vor. Die zweite Seite des Stromsammlers 7 weist den elektrischen Kontaktierungsabschnitt auf, der der Katalysatorschicht 5 zugewandt ist. Durch den Aufbau der Gasdiffusionselektrode 1 wird es ermöglicht, dass ein elektrischer Strom durch die Gasdiffusionselektrode 1 fließbar ist.
  • Da der Stromsammler 7 als Gitterstruktur ausgeführt ist, liegt der elektrische Potentialanlegebereich 9 an einer Umrandung des Stromsammlers 7 vor, erlaubt dennoch eine sichere elektrische Kontaktierungsmöglichkeit. Der elektrische Potentialanlegebereich 9 kann auch mit einem Metalltape, wie z. B. ein Kupfertape, aufgebracht werden, um den elektrischen Kontakt zu etablieren.
  • Die Gasdiffusionselektrode 1 erzielt eine Vielzahl von überraschend vorteilhaften Effekten, die in ihrer Gesamtheit keineswegs zu erwarten und synergistisch waren. So ist der prinzipielle Aufbau der Gasdiffusionselektrode 1 einfach auf größere Dimensionen zu skalieren, sodass eine Überführung in Großanlagen möglich ist. Des Weiteren können vorteilhaft höhere elektrische Stromdichten und damit auch höhere Produktraten erzeugt werden, sodass auch höhere Faradaysche Effizienzen erlangt werden können. Insbesondere tritt vorteilhaft auch das im Stand der Technik beschriebene Flutungsproblem nicht auf, was zum Selektivitätsverlust führen würde. Mithin ist die Katalysatorschicht 5 vorteilhaft langzeitstabil, sodass eine hohe Funktionsbeständigkeit durch die Gasdiffusionselektrode 1 erzielt wird. Darüber hinaus ist die Gasdiffusionselektrode 1 dahingehend vorteilhaft, dass besonders zuverlässig ein effizienter elektrischer Strom bereitgestellt wird.
  • Fig. 4 zeigt ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Gasdiffusionselektrode 1, wobei hierbei der Stromsammler 7 als Monopolarplatte ausgeführt ist und nicht wie in der Fig. 3 als Gitterstruktur. Der grundsätzliche Aufbau gemäß der Darstellung der Fig. 4 entspricht jedoch dem der Fig. 3. Fig. 4a zeigt eine Seitenansicht und Fig. 4b eine Frontalansicht der Gasdiffusionselektrode 1.
  • Eine Monopolarplatte als Stromsammler 7 eignet sich besonders gut für die Gasdiffusionselektrode 1. So ist eine bessere Skalierbarkeit des Stromsammlers 7 und der Gasdiffusionselektrode 1 gegeben. Des Weiteren ist die Monopolarplatte einfach zu verarbeiten, um ein Flussfeld für den Elektrolyten bereitzustellen. Insbesondere ermöglicht die Monopolarplatte durch die Bereitstellung des Flussfeldes aufgrund der Anordnung der Stege einen engen Abstand einer Anode zur Gasdiffusionselektrode als Kathode, sodass auch vorteilhaft die Effizienz gesteigert wird.
  • Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Systems, welches eine Elektrolysezelle 17 aufweist. Die Gasdiffusionselektrode 1 stellt eine Komponente der Elektrolysezelle 17 dar.
  • Die Gasdiffusionselektrode 1 umfasst dabei eine Monopolarplatte als Stromsammler 7 und ein Substrat 3, welches am elektrischen Kontaktierungsabschnitt des Stromsammlers 7 angebracht wird. Das Substrat 3 ist mit der Katalysatorschicht 5 beschichtet, welche in der Fig. 5 jedoch nicht zu erkennen ist. Weiterhin liegen Dichtungen 23 vor, um einen unerwünschten Elektrolytfluss in weitere Komponenten der Elektrolysezelle 17 zu vermeiden. Zudem umfasst die Elektrolysezelle 17 eine Membran 25 die zwischen der Gasdiffusionselektrode 1 und einer Anode 19 angebracht wird. Ferner halten Endplatten 21 die Gasdiffusionselektrode zusammen und führen zu einer Stabilität der Elektrolysezelle 17.
  • Fig. 6 zeigt Messergebnisse für die elektrochemische Umsetzung von CO2 mit einer Gitterstruktur als Stromsammler.
  • In Fig. 6a erfolgte die Umsetzung mit einer Gitterstruktur als Stromsammler ohne eine Polymerschicht. Die Faradaysche Effizienz (FE) für Wasserstoff, Ethylen, Kohlenstoffmonoxid und Methan ist gegen die angelegte kathodische Stromdichte j aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass Wasserstoff das Hauptprodukt darstellt.
  • Fig. 6b zeigt die Ergebnisse für die elektrochemische Umsetzung von CO2 mit einem Gitter als Stromsammler, das mit einer Polymerschicht beschichtet ist. Die Faradaysche Effizienz (FE) ist gegen die angelegte kathodische Stromdichte j aufgetragen. Im Gegensatz zur unbeschichteten Gitterstruktur bewirkt die Polymerbeschichtung eine Unterdrückung der Wasserstoffproduktion, was u. a. vorteilhafterweise zu einer höheren Faradayschen Effizienz zu Ethylen führt.
  • Über den Messergebnissen der Fig. 6a und 6b sind Fotos der Gitterstruktur dargestellt, welche in Fig. 6a unbeschichtet und in Fig. 6b mit einer Polymerschicht beschichtet ist.
  • In Fig. 6c wird das Verhältnis zwischen der Faradayschen Effizienz von Ethylen zu Wasserstoff (FE Ethylene/Hydrogen) gegen die kathodische Stromdichte j aufgetragen. Die quadratischen Symbole ("Coated copper grid") stellen dabei die Werte für den beschichteten Gitterstromsammler dar und die runden Symbole ("Uncoated copper grid") die Werte für den unbeschichteten Gitterstromsammler.
  • In Fig. 7 werden die Messergebnisse für die elektrochemische Performance einer Monopolarplatte als Stromsammler für die Reduktion von CO2 dargestellt.
  • In Fig. 7a wird die Faradaysche Effizienz (FE) auf der Y-Achse gegen die kathodische Stromdichte j aufgetragen. Dabei ist ersichtlich, dass die Selektivität für die Bildung für Wasserstoff niedrig bleibt und die Bildung von z. B. Ethylen hoch.
  • In Fig. 7b ist auf der Y-Achse das Zellpotential ("Cell Potential") gegen die Zeit ("time") auf der X-Achse aufgetragen. Die dunkle Linie ("TUB monopolar plate design") stellt dabei eine Messung mit der Monopolarplatte als Stromsammler dar und die hellere Linie ("TUB cell side contacting") eine Messung ohne Stromsammler. Es wird dabei das Verhalten bei Anlegen eines Stromes deutlich. Dabei stellt sich das Potential in Gegenwart des Stromsammlers direkt ein, hingegen ohne Stromsammler fällt das Potential erstmal auf einen sehr negativen Wert ab und nähert sich danach langsam einen konstanten Wert an. Das bessere Ansprechen des Potentials beim Anlegen des Stromes macht die bessere elektrische Kontaktierung durch den Stromsammler deutlich.
  • In Fig. 7c ist rechts ein Foto der Monopolarplatte als Stromsammler gezeigt. Links ist ein Foto einer bevorzugten Ausführungsform der Gasdiffusionselektrode nach einer Messung gezeigt. Auf der Gasdiffusionselektrode sind dabei die Abdrücke der unbeschichteten Stege zu sehen, die für den elektrischen Kontakt sorgen. Rechts wird ein Foto der Monopolarplatte dargestellt.
  • In Fig. 8 werden Fotos von Endplatten gezeigt, in die die Gasdiffusionselektrode eingebaut werden kann.
  • In Fig. 8a ist ein Foto einer Endplatte 21 samt eingebauter Gitterstruktur als Stromsammler 7 dargestellt. Ein Metalltape 27, hierbei ein Kupfertape (Kupferklebeband) verbindet den elektrischen Potentialanlegebereich 9 des Stromsammlers 7 mit der Endplatte 21.
  • Fig. 8b zeigt die Endplatte 21 ohne die Gasdiffusionselektrode. Man sieht die eingefräste Kavität, um die Gasdiffusionselektrode darin einzuführen.
  • In Fig. 9 sind Fotos einer Monopolarplatte abgebildet, die als Stromsammler 7 fungiert.
  • Fig. 9a zeigt die erste Seite der Monopolarplatte mit einem parallelen Flussfeld. Fig. 9b zeigt die zweite Seite der Monopolarplatte mit dem parallelen Flussfeld, was durch die Anordnung der Stege 15 erzielt wird. In Fig. 9c ist die erste Seite des Stromsammlers 7 gezeigt, während die Fig. 9d die zweite Seite zeigt. Das Flussfeld der Monopolarplatte gemäß den Fig. 9c und 9d ist serpentinenförmig, was ebenfalls durch die entsprechende Anordnung der Stege 15 bereitstellbar ist.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Gasdiffusionselektrode
    3
    Substrat
    5
    Katalysatorschicht
    7
    Stromsammler
    9
    Elektrischer Potentialanlegebereich
    11
    Polymerschicht
    13
    Elektrischer Kontaktierungsabschnitt
    15
    Steg
    17
    Elektrolysezelle
    19
    Anode
    21
    Endplatte
    23
    Dichtung
    25
    Membran
    27
    Metalltape
    LITERATURVERZEICHNIS

Claims (15)

  1. Gasdiffusionselektrode (1) für eine Elektrolyse umfassend ein Substrat (3), eine Katalysatorschicht (5) und einen Stromsammler (7), wobei das Substrat (3) eine Porenstruktur aufweist und ein elektrisch nicht-leitendes und hydrophobes Material umfasst, wobei der Stromsammler (7) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, sowie das Substrat (3) als Träger für die Katalysatorschicht (5) und den Stromsammler (7) fungiert, wobei die Katalysatorschicht (5) auf das Substrat (3) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Seite des Stromsammlers (7) einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich (9) aufweist, wobei auf dem Polymerschichtabschnitt eine Polymerschicht (11) vorliegt und der elektrische Potentialanlegebereich (9) elektrisch kontaktierbar ist und die zweite Seite einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt (13) umfasst, wobei der elektrische Kontaktierungsabschnitt (13) der Katalysatorschicht (5) zugewandt ist, sodass ein elektrischer Strom durch die Gasdiffusionselektrode (1) bei der Elektrolyse fließbar ist.
  2. Gasdiffusionselektrode (1) nach dem vorherigen Anspruch
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektrolyse eine Reduktion von gasförmigem Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff, Stickstoff, Stickstoffoxid und/oder Stickstoffdioxid umfasst.
  3. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stromsammler (7) als eine Monopolarplatte oder eine Gitterstruktur vorliegt, bevorzugt als eine Monopolarplatte.
  4. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stromsammler (7) Stege (15) umfasst, wobei die Stege (15) parallel, serpentinenförmig oder gitterförmig angeordnet sind, wobei eine parallele Anordnung der Stege (15) bevorzugt ist.
  5. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stromsammler (7) ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Nickel, Titan, Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Edelstahl und/oder Kombinationen der vorgenannten Materialien.
  6. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stromsammler (7) eine Dicke aufweist zwischen ca. 0,1 - 20 mm, bevorzugt zwischen 0,5 - 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 - 5 mm.
  7. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Polymerschicht (11) ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend ein Epoxid, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).
  8. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Porenstruktur des Substrats (3) Poren umfasst mit einem Durchmesser zwischen 100 nm - 50 µm, bevorzugt 100 nm - 20 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 nm - 10 µm.
  9. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Substrat (3) ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polychlortrifluorethylen (PCTFE).
  10. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Katalysatorschicht (5) Metallpartikel umfasst,
    wobei bevorzugt die Katalysatorschicht ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Kupfer, Kupferoxid, Silber, Gold, Zinn, Zinnoxid, Zink, Indium, Bismut, Antimon, Palladium, Platin, Ruthenium, Rhodium, Iridium, Rhenium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel, Zirkonium, Niob, Molybdän, Technetium, Scandium, Yttrium, Aluminium, Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, lod, Silizium, Phosphor, Schwefel, Gallium, Germanium, Arsen, Selen, Tellur, Blei, Hafnium, Tantal, Wolfram, Osmium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium und/oder eine Kombination der vorgenannten Materialien.
  11. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Katalysatorschicht (5) ein Bindemittel aufweist,
    wobei bevorzugt das Bindemittel ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Nafion, Sustainion, Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF),
    wobei vorzugsweise das Bindemittel einen Gewichtsanteil von 1 - 20 %, bevorzugt zwischen 1 - 10 %, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 - 5 %, zu Metallpartikeln aufweist.
  12. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Katalysatorschicht (5) ein Additiv aufweist, wobei das Additiv ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein zusätzliches Katalysatormaterial, ein Trägermaterial, ein Schutzmaterial und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv.
  13. Gasdiffusionselektrode (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Katalysatorschicht (5) eine Dicke aufweist zwischen 0,1 - 100 µm, bevorzugt zwischen 0,1 - 50 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm - 25 µm, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 - 10 µm.
  14. System zur Kohlenstoffdioxid-Reduktion umfassend eine Elektrolysezelle (17), wobei die Elektrolysezelle (17) zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyts, bevorzugt auch von gasförmigen Kohlenstoffdioxid, konfiguriert ist, wobei die Elektrolysezelle eine Anode (19) und eine Kathode umfasst, wobei die Kathode eine Gasdiffusionselektrode (1) ist nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13 umfassend folgende Schritte:
    a) Bereitstellung eines Substrates (3), welches eine Porenstruktur aufweist und ein elektrisch nicht-leitendes und hydrophobes Material umfasst,
    b) Bereitstellung eines Stromsammlers umfassend eine erste Seite und eine zweite Seite, wobei die erste Seite einen Polymerschichtabschnitt und einen elektrischen Potentialanlegebereich aufweist oder der elektrische Potentialanlegebereich bereitgestellt wird und die zweite Seite einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt umfasst,
    c) Beschichtung des Substrates mit einer Katalysatorschicht,
    d) Beschichtung des Polymerschichtabschnittes mit einer Polymerschicht,
    e) Kontaktierung des elektrischen Kontaktierungsabschnittes mit der Katalysatorschicht.
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