In Kürze
Das Projekt disruptiveGDE entwickelt innovative Gasdiffusionselektroden für die CO₂-Elektrolyse in organischen Elektrolyten. Durch 3D-metallische Netzstrukturen wird eine allein über den angelegten Druck steuerbare Grenzschicht ohne PFAS realisiert. Die Methode vermeidet übermäßige Wasserstoffbildung, ermöglicht hohe Stromdichten, lange Betriebszeiten und fördert die gezielte Synthese höherwertiger Moleküle.
Woran wir arbeiten
Motivation
Die konventionelle Route zur Herstellung wertvoller Chemikalien aus CO2 ist ein mehrstufiges Verfahren über Wasserstoffproduktion und anschließende CO₂-Hydrierung. Hingegen vereint die organische Elektrosynthese mehrere Prozessschritte und ermöglicht so die direkte Umwandlung von CO2 zu wertvollen Folgeprodukten. Somit hat dieser Elektrolyseprozess das Potenzial, die konventionelle Route energieeffizient zu ersetzen.
Innovationsansatz
disruptiveGDE entwickelt ein neues Konzept für Gasdiffusionselektroden (GDE), die auch für organische Lösungsmittel geeignet sind und ohne PFAS-Materialien auskommen. Statt klassischer GDEs werden durchlässige metallische Strukturen eingesetzt, bei denen die Gas-Flüssig-Grenzfläche über die Druckdifferenz zwischen Gas- und Flüssigphase präzise eingestellt wird. Dieses Laplace-Druck-kontrollierte Design ermöglicht eine stabile CO₂-Versorgung des Reaktors und eröffnet neue Freiheitsgrade für den Elektrolyseurbetrieb.
Umsetzung und Mehrwert
Das Projekt untersucht geeignete Zellkonfigurationen für den kontinuierlichen Betrieb, Referenzelektrodenkonzepte für organische Elektrolyte sowie die entscheidenden Transport- und Reaktionsprozesse. Die Ergebnisse werden exemplarisch an der Synthese von Oxalsäure, Cyanessigsäure und Adipinsäure demonstriert. Durch die Kombination von Experimenten und Simulation entsteht eine Grundlage für techno-ökonomische und ökologische Bewertungen, ein wichtiger Schritt hin zur industriellen CO₂-Elektrosynthese.
disruptiveGDE in Zahlen
Material aus dem Projekt
Partner
Erfolgreiche Forschung lebt von Zusammenarbeit. Entdecken Sie die Partner, die das Projekt aktiv begleiten und voranbringen.
Lehrstuhl für Power-to-X Technologien
Die Forschungsgruppe von Prof. Etzold befasst sich intensiv mit dem komplexen Zusammenspiel von katalytischen Materialien und Stofftransporteffekten in elektrochemischen und heterogen katalytischen Systemen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Entwicklung und Testung von Katalysatoren und Gasdiffusionselektroden sowie auf reproduzierbaren experimentellen Methoden für Elektrolyse- und Flusszellensysteme. In disruptiveGDE werden sowohl die Abscheidung katalytischer Schichten auf metallischen Geweben als auch kontinuierliche Flow-Experimente durchgeführt und Methoden zur Visualisierung der Gas-Flüssig-Phasengrenzfläche in Laplace-druck-kontrollierten Gasdiffusionselektroden entwickelt.
Gaskatel GmbH ist ein KMU im Bereich elektrochemischer Technologien für Analysegeräte. Seit über 25 Jahren bietet Gaskatel ein breites Sortiment an Elektroden, Messzellen sowie Gasdiffusionselektroden für wässrige Elektrolyte, wie sie in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Batterien eingesetzt werden. In disruptiveGDE bringt Gaskatel diese Expertise ein und überträgt sie auf die organische Elektrochemie. Damit wird eine Industrieperspektive geschaffen, um den Transfer in skalierbare und anwendungsnahe Systeme zu unterstützen.
Das Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien (IAM-ET) am KIT verbindet experimentelle Untersuchungen elektrochemischer CO₂-Reaktionen mit physikalisch-chemischer Modellierung zur Entwicklung eines fundierten Prozessverständnisses. Ein Schwerpunkt liegt auf der strukturellen Charakterisierung von Gasdiffusionselektroden zur Ableitung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. In disruptiveGDE bringt die Nachwuchsgruppe von Dr. Röse elektroorganische Expertise ein und trägt durch Reaktionsaufklärung sowie modellbasierte Analysen zur kinetischen Beschreibung und zur techno-ökonomischen Optimierung der Prozessauslegung bei.
Am Fachgebiet Nano- und Mikrofluidik der TU Darmstadt werden grundlegende Transportphänomene auf der Mikro- und Nanoskala mit Hilfe von detaillierten numerischen Simulationen und Experimenten untersucht. Dadurch entsteht ein tiefes Verständnis der fluiddynamischen Prozesse in Gas-Diffusions-Elektroden, das die Basis für ein effizientes computergestütztes Design von Elektrodengeometrien und Prozessparametern bildet.
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