24. Juli 2023 | Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) hat in einem hybriden Flüssiggas-Elektrolyseur an der Röntgenquelle BESSY II den Transport von Ionen durch Ionenaustausch-Membranen untersucht. Die Erkenntnisse könnten helfen, umweltfreundlichere und effizientere Membranmaterialien für die Herstellung von grünem Wasserstoff zu entwickeln.

Photoelektrolyseure und Elektrolysezellen können grünen Wasserstoff oder fossilfreie Kohlenstoffverbindungen erzeugen. Allerdings benötigen sie Ionenaustausch-Membranen. Ein HZB-Team hat nun in einem hybriden Flüssiggas-Elektrolyseur an der Röntgenquelle BESSY II den Transport von Ionen durch die Membran untersucht.

Anders als erwartet treiben nicht elektrische Felder, sondern Konzentrationsunterschiede die Ionen an. Die Diffusion sei also der entscheidende Prozess. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung hocheffizienter und deutlich umweltfreundlicherer Membranmaterialien helfen.

Ionenaustausch-Membranen werden in (Photo-)Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und Batterien benötigt, um Ionen zu trennen und die gewünschten Prozesse zu ermöglichen. Synthetisch produzierte Polymer-Membranen wie NAFION sind dabei besonders effizient. Sie sind jedoch nicht abbaubar.

Vorgehen der Forschenden

Ein Team um Dr. Marco Favaro vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat diese Frage nun mit einer speziellen Art von Elektrolysezelle untersucht. In diesem Zelltyp sitzt die Membran an der Außenwand und steht so sowohl mit dem flüssigen Elektrolyten als auch mit einer gasförmigen äußeren Umgebung in Kontakt.

Quelle: Helmholtz Zentrum Berlin

Je nach Polarität des angelegten Potenzials wirkt die Membran entweder als Anode oder als Kathode. Dieser hybride Flüssiggas-Elektrolyseur gilt als besonders vorteilhaft für die elektrochemische Umwandlung von CO₂, da in der Gasphase höhere CO₂-Konzentrationen möglich sind als in wässrigen Lösungen.

Für die Studie verwendete das Forschungsteam handelsübliche Ionenaustauschmembranen in Kontakt mit einem Modellelektrolyten wie Natriumchlorid (NaCl) in Wasser. Sie führten der Gasphase Wasserdampf zu. Die Migration von Natrium- und Chloridionen durch die Membranen konnte an der SpAnTeX-Endstation an der KMC-1-Beamline von BESSY II untersucht werden.

Forschungsergebnisse

„Wir hatten eigentlich erwartet, dass die Dynamik der Ionen durch die elektrischen Felder zwischen Anode und Kathode des Elektrolyseurs bestimmt wird, und dass die Elektromigration der Hauptfaktor ist“, sagt Marco Favaro.

Die Analyse der Daten zeigte jedoch das Gegenteil: Elektromigration spielt kaum eine Rolle. Die Ionen diffundieren durch die Membran. Die Daten konnten mit einem Diffusionsmodell numerisch simuliert werden.

„Wir folgern daraus, dass Ionen die Polymermembranen in diesen Elektrolyseuren durchdringen, und zwar aufgrund von Sprüngen, die durch die in den Membranen vorhandenen ionisierten funktionellen Gruppen vermittelt werden. Da außerdem auch Wasser durch das Polymer diffundiert, werden die Ionen ,mitgeschleppt‘“, erklärt Favaro.

 CO₂ in wertvolle Chemikalien umwandeln

Diese Ergebnisse sind aus einer Reihe von Gründen interessant: Denn solche hybriden Elektrolyseure ermöglichen es, CO₂ in wertvolle Chemikalien umzuwandeln, die sonst nur aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden können. Zu verstehen, wie diese Elektrolyseure funktionieren, hilft, die Wirtschaft zu dekarbonisieren.

Dabei seien laut Forschungsteam die Ionenaustausch-Membranen eine Schlüsselkomponente. Die bisher verwendeten Polymerverbindungen seien jedoch nicht abbaubar. Man müsse die relevanten Triebkräfte von Transportprozessen verstehen, um neue Membranmaterialien zu entwickeln, die effizient und umweltfreundlich sind.

Favaro möchte dieses Projekt nun am HIPOLE vorantreiben, dem neuen Helmholtz-Institut in Jena, das sich auf die Entwicklung von neuen Polymermaterialien für Energietechnologien konzentriert.

(Quelle: HZB/2023)