Einfluss von Präparationsparametern auf die physiko-chemischen Eigenschaften von kupferbasierten Gasdiffusionselektroden für die elektrochemische CO2-Reduktion

Titelangaben

Clarke, Johannes:
Einfluss von Präparationsparametern auf die physiko-chemischen Eigenschaften von kupferbasierten Gasdiffusionselektroden für die elektrochemische CO2-Reduktion.
Bayreuth , 2026
( Bachelorarbeit, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl Funktionsmaterialien)

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Abstract

Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht den Einfluss verschiedener Präparationsparameter auf die physiko-chemischen Eigenschaften kupferbasierter Gasdiffusionselektroden (GDEs), welche für die elektrochemische CO2-Reduktion eingesetzt werden. Um einen stabilen Betrieb der Elektrolyse zu gewährleisten und der limitierenden Flutung der Elektrode durch flüssigen Elektrolyten entgegenzuwirken, müssen GDEs eine optimale Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit, ausreichender Gaspermeabilität und starker Hydrophobizität aufweisen. Zur systematischen Analyse dieser Parameter wurden die Schichtdicke des per physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgetragenen Kupfers, die aufgebrachte Masse an Kupfernanopartikeln (CuNP) als Katalysator sowie der Anteil des polymeren Binders Nafion variiert. Die präparierten Elektroden basierten primär auf PTFE-Substraten, welche vergleichend auch mit Carbon-Substraten untersucht wurden. Die Auswertung der elektrischen Messungen ergab, dass die Oberflächenleitfähigkeit maßgeblich von der Cu-PVD-Schicht dominiert wird, wobei sich eine Schichtdicke von etwa 400 nm als optimaler Kompromiss aus minimalem Materialaufwand und der Ausbildung eines stabilen Leitfähigkeitspfades erwies. Messungen der Gaspermeabilität zeigten zudem, dass das reine PTFE-Substrat deutlich gasdurchlässiger ist als das Carbon-Substrat. Gleichzeitig führt ein erhöhter Nafion-Anteil in der Katalysatorschicht zu einer signifikanten Reduktion der Gasdurchlässigkeit durch Porenblockaden, während die CuNP-Menge und dickere PVD-Schichten in den untersuchten Bereichen nur einen untergeordneten Einfluss auf den Gasfluss haben. Hinsichtlich der Hydrophobizität wurde festgestellt, dass der Widerstand gegen das Eindringen von Flüssigkeit nahezu ausschließlich durch das Trägersubstrat selbst bestimmt wird. Das hochgradig hydrophobe PTFE-Substrat verhinderte einen Durchtritt von wässrigen Elektrolyten selbst bei Drücken von 500 mbar zuverlässig; ein Durchtritt konnte erst durch eine drastische Absenkung der Oberflächenspannung mittels hoher Alkoholkonzentrationen (z. B. 20 % Isopropanol) erzwungen werden. Zusammenfassend belegt die Arbeit, dass eine feinporige, PTFE-basierte GDE mit einer rund 400 nm dicken Kupfer-PVD-Schicht und einer balancierten, nicht zu massiven Nafion-Imprägnierung die besten physiko-chemischen Eigenschaften für den Einsatz in der CO2-Elektrolyse bietet, was das bestehende Standardpräparationsverfahren des Lehrstuhls als sehr gut geeignet bestätigt.