Festkörperelektrochemie und Elektrolyte – Schlüssel für die Energie- und Sensortechnik

Schlüsselthemen im Bereich der Energie- und Sensortechnologie, aber auch der Katalyse und Hochtemperaturchemie sind in den Fokus der angewandten Elektrochemie gerückt. Die grundlegenden elektrochemischen Aspekte der ionischen Leitfähigkeit, der Elektrodenkinetik und der galvanischen Ketten werden zunehmend durch Fragen der gezielten Strukturierung auf der Mikro- und Nanometerskala beeinflusst.

Um die in den letzten Jahren gewachsene Bedeutung der Festkörperelektrochemie zu würdigen und die Elektrochemie flüssiger Elektrolyte einzubinden, stellt die Fachgruppe Angewandte Elektrochemie ihre Jahrestagung 2006 vom 9. bis 11. Oktober in Bayreuth unter das Motto „Festkörperelektrochemie und Elektrolyte“.

Einen Schwerpunkt auf der Tagung bilden die Hoffnungsträger für die künftige Energiebereitstellung, die Brennstoffzellen, an deren Entwicklung und Optimierung Elektrochemiker und Festkörperchemiker gleichermaßen beteiligt sind. Die Funktionsfähigkeit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs, solid oxide fuel cells), sie basieren auf Sauerstoffionen-leitenden keramischen Festelektrolyten) hängt sehr vom Material und von der Struktur der Elektroden sowie von den Vorgängen an der Grenzschicht Elektrode/Elektrolyt ab. Der Forschungsbedarf ist hier noch sehr groß, damit diese Brennstoffzellen auf dem Markt bestehen können. Es werden hiermit aber bereits kleine Demonstrationskraftwerke im Leistungsbereich von 100 Kilowatt betrieben. Als Brennstoff dient hierbei Erdgas. Um die hohen Investitionskosten zu senken, müssen neben der Materialauswahl und der Strukturierung der elektrochemisch aktiven Schichten auch die Brenngasaufbereitung, die Gasführung und das Wärmemanagement optimiert werden.

Auch Wasserstoff kann in der SOFC-Technik als Brennstoff eingesetzt werden, die zudem so weiter entwickelt werden soll, dass sie die Nutzung anderer langfristig verfügbarer Brennstoffe wie Kohle und Biomasse erlaubt.

Neben den SOFCs existieren noch die Membranbrennstoffzellen (Polymer-Membran-Brennstoffzellen, PEM fuels cells, PEFC) als effiziente Energiewandler für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen. Hier ist das Membranmaterial, ionenleitende Polymere, entscheidend. Die Verbesserung dieser Systeme ist noch in vollem Gange, ebenso wie die Untersuchung der in den Grenzschichten ablaufenden Reaktionen und Transportvorgänge sowie die Auswahl geeigneter Katalysatoren.

PEFC werden mit reinem Wasserstoff als Brenngas betrieben, können aber auch Reformat, ein CO-armes Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff, nutzen. Die PEFC zählen zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen, ebenso wie die Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC). Auch für sie gilt, die Wandlungsverluste von chemischer in elektrische Energie zu minimieren.

Dafür werden u.a. immer wieder neue Katalysatoren für eine verbesserte Sauerstoffreduktion getestet. Neben der chemischen Zusammensetzung der Katalysatoren sind deren Größe, Oberfläche (Porosität) und Stabilität entscheidend für den Einsatz in Brennstoffzellenelektroden. Ein weiterer „klassischer“ Typ der Niedertemperatur-Brennstoffzelle sind die alkalischen Brennstoffzellsysteme (AFC).

Auch der Umweltschutz profitiert von elektrochemischer Forschung: Die Solid-Polymer-Electrolyte-Technologie (SPE) mit einer Ionenaustauschermembran als Ionenleiter ist für die elektrochemische Abwasserreinigung entwickelt worden. Und derzeit werden festkörperelektrochemische Prozesse untersucht, um dem Problem der Kohlendioxidfreisetzung in die Atmosphäre Herr zu werden. Damit könnten insbesondere konventionelle, fossil befeuerte Kraftwerke ausgestattet werden.

Natürlich wird derzeit auch die festkörperelektrochemische Forschung für Batterien und Sensoren forciert. In Bayreuth befassen sich einige Beiträge mit Neuentwicklungen und Forschungsbedarf bei Lithium-Batterien. Der bezieht sich beispielsweise auf Dünnschichtmaterialien für die Elektroden oder auf verbesserte Polymerelektrolyte, die es für neue Anwendungsgebiete wie Hybridelektrofahrzeuge zu entwickeln gilt. Für die Gassensorik wird derzeit der Einsatz ionenleitender Zeolithe untersucht.

Weitere Beiträge der Tagung befassen sich mit der Nano-Elektrochemie (Nanoelektroden sowie Nanodrähte aus Silber, elektrochemisch abgeschieden), mit „smart windows“, Fenster, deren Licht und Energiedurchlässigkeit elektrochemisch gesteuert werden kann (Stichwort: elektrochrome Materialien), oder mit Fortschritten bei der elektrochemischen Ozonherstellung und Reinstwasserdesinfektion.

Schließlich wird eine neue technische Elektrolyse vorgestellt, die Festelektrolyte nutzt, und über eine neuartige Elektrosynthese berichtet, die zu MOFs (Metal-Organic Frameworks) führt. Diese auch Nanocubes genannten Stoffe eignen sich als Speichermaterialien für Wasserstoff, Methan und andere Gase und finden deshalb im Bereich Brennstoffzellen großes Interesse.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) gehört mit über 27.000 Mitgliedern zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Sie hat 25 Fachgruppen und Sektionen, darunter die Fachgruppe Angewandte Elektrochemie mit knapp 400 Mitgliedern. Die Jahrestagungen der Fachgruppe stehen stets unter einem neuen aktuellen Motto. In diesem Jahr bestreitet die Fachgruppe die Aktuelle Wochenschau der GDCh (www.aktuelle-wochenschau.de).

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