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Electrochemical CO2 reduction = Elektrochemische CO2 Reduktion



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefanie Kriescher

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (xii, 189 Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-021091
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571497/files/571497.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571497/files/571497.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; CO2 reduction (frei) ; membrane electrode assembly (MEA) (frei) ; oxygen evolution reaction (OER) (frei) ; oxygen reduction reaction (ORR) (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre ist in den letzten zwei Jahrhunderten signifikant angestiegen. CO2 gilt als einer der größten Verursacher des Treibhauseffektes und der daraus resultierenden Erderwärmung. Es ist daher von großem Interesse, die Konzentration zu stabilisieren und/oder zu verringern. Abgesehen von den gesetzlichen Vorgaben für die Menge an emittiertem CO2, sind Kohlendioxidabscheidung und -speicherung sowie biologische und chemische Umwandlung Wege zur Stabilisierung und/oder Verringerung der atmosphärischen Konzentration von CO2. In der vorliegenden Dissertation werden Ergebnisse zur elektrochemischen Reduktion von CO2 vorgestellt. Die Reduktion von CO2 kann in einem elektrochemischen Membranreaktor (ecMR) durchgeführt werden. Ein ecMR besteht aus zwei Halbzellen, die durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt werden. Ein elektrisches Potential wird als treibende Kraft für die Reaktion angelegt. Die Produktion von Protonen durch die Elektrolyse vonWasser findet am Anodenkatalysator statt. Die Protonen diffundieren durch eine Kationenaustauschermembran, wobei die Elektronen über den externen Stromkreis zur Kathode transportiert werden. Dabei wird CO2(g) zu den gewünschten Kohlenwasserstoffprodukten reduziert. Die unerwünschte Entstehung von H2 ist die Hauptnebenreaktion. Laut Literatur ist Cu das vielversprechendste Katalysatormaterial, wenn der Fokus auf der Produktion von Kohlenwasserstoffen liegt. Der Cu Kathodenkatalysator wurde mittels galvanischer Abscheidung von Cu auf 3D-strukturiertem Edelstahlgewebe hergestellt. Um eine dünne und gleichförmige Cu Schicht auf dem Edelstahlgewebe zu erhalten, musste die Kupferabscheidung bei der Grenzstromdichte erfolgen. Bei höherer Temperatur und/oder Drehgeschwindigkeit des Substrates kommt es zu einer Erhöhung der Grenzstromdichte. Die elektrochemischen Experimente zur Reduktion von CO2 wurden in einem G-G und G-L ecMR durchgeführt. Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) wurden bei gasförmigen Reaktionspartnern angewendet. Eine MEA zeichnet sich durch eine so genannte Dreiphasen-Grenzfläche aus. An dieser Grenzfläche stehen der Elektrokatalysator, das Ionomer/Elektrolyt und die Edukte in intensivem Kontakt. Im G-G ecMR wurde eine doppelseitige MEA bestehend aus Kupfergewebekathode und Titangewebeanode benutzt, welche von einer protonenleitenden Membran getrennt wurden. Die Anode wurde mit einem Iridium Misch-Metall-Oxid (IrMMO) Katalysator beschichtet, der eine hohe Aktivität für die Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER) aufweist. Im G-L ecMR wurde eine einseitige MEA genutzt, die nur aus der Kupferkathode und der Kationenaustauschermembran bestand. Die Produktion von Kohlenwasserstoffen mit geringer Stromeffizienz ist in beiden Reaktortypen möglich. Der Hauptunterschied ist, dass die im G-L ecMR durchgeführten Experimente keine Grenzstromdichte zeigen, wie es der Fall für Experimente im G-G ecMR ist. Ein möglicher Grund für das Fehlen der Grenzstromdichte ist die Leitfähigkeit der Membran, die bei höherer relativer Feuchte zunimmt. Neben der experimentellen Arbeit wurde die elektrochemische CO2 Reduktion in einem G-L ecMR modelliert in Aspen+. Des Weiteren wurden die Aktivität und Stabilität eines neuartigen Pt/Ir/V Katalysators für die OER in saurer Umgebung getestet. Die Überspannung von Pt/Ir Katalysatoren für die OER bei 2 mA/cm2 steigt erwartungsgemäß mit zunehmendem Ir Gehalt bei allen untersuchten Temperaturen an. Die V enthaltenden Katalysatoren werden während der Stabilitätsmessungen deaktiviert. Die Pt/Ir Katalysatoren zeigten die größte Aktivität bei der ORR.

The atmospheric concentration of CO2 has increased significantly during the last two centuries. Since CO2 is considered to be one of the largest contributors to the greenhouse effect and is postulated to cause global warming, it is important to stabilize and/or reduce its concentration. Apart from regulations for the amount of CO2 that may be emmitted, carbon dioxide capture and storage (CCS), biological and chemical conversions are potential ways to stabilize and/or reduce the atmospheric concentration of CO2.In the present thesis, the electrochemical CO2 reduction in an electrochemical membrane reactor (ecMR) was investigated. An ecMR consists of two half-cells separated by a polymer electrolyte membrane. An electrical potential is applied as driving force for the reaction. The production of protons by the electrolysis of water takes place at the anode catalyst. The produced protons are transported through a cation exchange membrane (CEM) and electrons are transported via the external circuit to the cathode to reduce CO2(g) to hydrocarbons as desired products. The main undesired side reaction is the H2 evolution. According to literature, Cu is the most promising catalyst material for the electrochemical CO2 reduction if the focus is on the production of hydrocarbons.The Cu cathode catalyst was prepared by using electroplating on 3D-structured woven stainless steel meshes. In order to receive a thin and uniform Cu layer on the 3D-structured woven stainless steel mesh, the electroplating has to be performed at limiting current density. Higher temperatures and/or rotation speeds of the plating target caused an increase in the limiting current density.The electrochemical experiments for the reduction of CO2 were performed in a G-G and a G-L type ecMR. Membrane electrode assemblies (MEA) were applied when gaseous reactants were involved. A MEA can be used to create a so-called three-phase boundary, whereby (i) the electrocatalyst, (ii) the ionomer/electrolyte and (iii) the reactant are in contact. In the G-G type ecMR a double-sided MEA was used comprising of a copper felt cathode and a Ti felt anode coated with iridium mixed metal oxide (IrMMO) catalysts separated by a proton conductive membrane. Here, IrMMO is used as anode catalyst, since it showed a high activity for the oxygen evolution reaction (OER). In the G-L type ecMR a one-sided MEA was applied that only consists of the copper cathode and the CEM. The production of hydrocarbons with low current efficiency was achieved in both reactor types. The experiments performed with a G-L type ecMR did not show a limiting current density, which was the case when G-G type ecMR was used. A possible reason for the absence of the limiting current density is the conductivity of the membrane, which is increasing at higher relative humidity. Next to the experimental work, the electrochemical CO2 reduction in a G-L type ecMR was modelled in Aspen+.Further, the activity and stability testing of a new Pt/Ir/V catalyst was carried out for the OER in acidic environment. The overpotential of Pt/Ir catalysts for the OER at 2 mA/cm2 decreased with increasing Ir content for all studied temperatures. The V-containing catalysts deactivated during the stability measurements. However, the Pt/Ir catalysts showed only a slight deactivation, whereas pure Pt catalysts were stable after a whole period of stability tests. Besides, the activity for the oxygen reduction reaction (ORR) of the new Pt/Ir/V catalyst was determined. The Pt65Ir22V13 catalyst showed the highest activity for the ORR.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT018920023

Interne Identnummern
RWTH-2016-02109
Datensatz-ID: 571497

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
416110

 Record created 2016-03-18, last modified 2023-04-08