Neuartige Katalysatorschichten in der elektrochemischen CO2-Reduktion an Gasdiffusionselektroden

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Kraft, Pia:
Neuartige Katalysatorschichten in der elektrochemischen CO2-Reduktion an Gasdiffusionselektroden.
Bayreuth , 2022
( Bachelor thesis, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl Funktionsmaterialien)

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Die elektrochemische CO2-Reduktion bietet eine Möglichkeit, CO2 in Wertstoffe, wie verschiedene Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Ethen ist dabei als Ausgangsstoff für diverse Industrieprodukte erstrebenswert. Bei der Verwendung von Gasdiffusionselektroden wird dafür als Katalysatormaterial Kupfer bevorzugt. Eine neuartige Option neben dem Einsatz von Kupfer-Nanopartikeln stellt Kupfer(II)-oxid (CuO) dar, welches während der Elektrolyse zurück zu katalytisch aktivem Kupfer, sogenanntem „Oxide-Derived Copper“ (OD-Cu) reduziert wird. Die Herstellung des CuO erfolgt hierbei durch die chemische Oxidation einer Kupferschicht, welche durch physikalische Gasabscheidung aufgedampft wird. Die chemische Oxidation führt dabei zur Bildung von CuO an der Oberfläche und dem Erhalt einer reinen Kupferschicht, die als Ableiter fungiert. Solche Elektroden wurden in der Arbeit hinsichtlich ihrer Stabilität und Selektivität für eine hohe Ethen-Bildung untersucht. Methodisch wurden die Faraday-Effizienzen und Stromdichten bei verschiedenen Versuchen mit variierendem und konstantem Potential in einem potentiostatischen Betrieb betrachtet. Prinzipiell konnte die Machbarkeit bestätigt werden. Allerdings wurden schwankende Ergebnisse und zunächst noch eine geringe Reproduzierbarkeit festgestellt. Als Haupteinflussfaktor wurde die Degradation des Katalysators und des Schichtaufbaus der Gasdiffusionselektrode mittels Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen ermittelt. Dennoch konnte eine Faraday-Effizienz für Ethen von bis zu 50 % sowie eine dominierende Ethen-Bildung über 19 Stunden gemessen werden. Trotz des noch vorhandenen Optimierungsbedarfes stellt die Verwendung von CuO als Katalysator eine vielversprechende Möglichkeit für die Ethen-selektive elektrochemische CO2-Reduktion dar.