de.wedoany.com-Bericht: Das Aidimme (Technologieinstitut für Metallverarbeitung, Möbel, Holz, Verpackung und verwandte Branchen) hat im Rahmen des SUR-FA-Projekts eine ganzheitliche Methodik zur Herstellung poröser Elektroden mit kontrollierter Struktur, mehrstufiger Oberfläche und an die realen Bedingungen angepasstem elektrokatalytischem Verhalten entwickelt und validiert. Das Projekt validierte die Methodik vom Design bis zur Herstellung des Elektrokatalysators, einschließlich Geometrie, 3D-Fertigungstechnologie, Materialien, Oberflächenmodifikation und Reaktorherstellung, und bildet einen Prozess, in dem jede Phase die Leistung der Elektrode und ihre Anpassung an die beabsichtigte Anwendung direkt beeinflusst.
Die Studie betrachtet die Elektrode als ein funktionales System, in dem innere Geometrie, Materialeigenschaften und Oberflächenchemie in Wechselwirkung stehen, anstatt diese Elemente traditionell getrennt zu behandeln. Die Struktur reagiert nicht mehr nur auf konstruktive Kriterien, sondern wird zu einem aktiven Element, das physikalische Parameter wie Stofftransport, Ionenübertragung, Elektronenleitung und Stromverteilung beeinflusst. Die additive Fertigung ermöglicht in diesem Prozess die direkte Erstellung maßgeschneiderter Strukturen und die Erzeugung periodischer poröser Strukturen, die einen entscheidenden Einfluss auf Stofftransport, Stromverteilung und Ionenwiderstand haben. Diese hochpräzisen Substrate werden anschließend oberflächenmodifiziert, um hochgeordnete hierarchische Strukturen zu erhalten und mit Katalysatoren zu dotieren, die für elektrokatalytische Oberflächen in den Bereichen Energie und Umwelt eingesetzt werden.
Die Entwicklung beginnt mit dem strukturellen Design poröser Elektroden, wobei Parameter wie Porengröße, Kanalverbundenheit, Strukturtyp, Tortuosität und Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis eingeführt werden. Die Studie berücksichtigt zwei Strukturklassen: Gitterstrukturen und TPMS-Strukturen (Triply Periodic Minimal Surfaces). Gitterstrukturen basieren auf periodischen Netzwerken aus Stäben und Knoten, weisen eine hohe mechanische Steifigkeit auf, führen jedoch durch die Knoten geometrische Diskontinuitäten ein, die die Tortuosität erhöhen; TPMS-Strukturen repräsentieren kontinuierliche Geometrien mit einer mittleren Krümmung von Null, die im Projekt durch die Flexa-Struktur angewendet werden, Diskontinuitäten beseitigen, miteinander verbundene Kanäle fördern und hydraulische Verluste reduzieren. Aus über 20 anfänglichen Konfigurationen wurden vier repräsentative Strukturen ausgewählt: Flexa, Octet Truss, Diamond 20 und Dode-medium.
Die experimentelle Methodik gliedert sich in miteinander verbundene Phasen: Zunächst die Definition der Einheitszelle und der Designparameter, gefolgt von einer mehrskaligen Modellierung. In der Pilotphase wurde die strukturelle Kontinuität mittels additiver Fertigung von Polyamid mit der Multi Jet Fusion-Technologie validiert; anschließend wurden die ausgewählten Strukturen mittels Elektronenstrahl-Pulverbettfusion aus Titan und Kupfer gefertigt. Bei der Oberflächenmodifikation wurden Reinigungs- und Konditionierungsbehandlungen angewendet, gefolgt von der Erzeugung kontrollierter Nanostrukturen (Nanotubes, Nanoporen, Nanoblätter) durch elektrochemische, chemische und thermische Prozesse. Auf Titansubstraten wurden durch anodische Oxidation Titandioxid-Strukturen erzielt, auf Kupfersubstraten Kupferoxid-Nanoblätter oder -Nanodrähte.
Aus physikalischer Sicht zeigt die Octet Truss-Struktur eine hohe mechanische Steifigkeit und hohe Tortuosität, was die Verweilzeit erhöht, aber den Ionentransport einschränkt; die Flexa-Struktur ist ausgewogen mit geringer Strömungsturbulenz, geringem Druckabfall und hoher Konnektivität; Diamond 20 bietet strukturelle Stabilität bei hoher Porosität; Dode-medium maximiert den Elektrolyttransport. Das Projekt entwickelte Reaktoren von der Charakterisierung im kleinen Maßstab bis hin zur Integration von 100 x 100 mm Elektroden, wobei Elektrolytströmung und Stromverteilung optimiert wurden.
Die experimentelle Validierung erfolgte in Anwendungen wie der Wasserstoffproduktion, der Glycerinoxidation und der Nitratreduktion. Bei der Wasserstoffproduktion und der Glycerinoxidation wurden Dode-medium-Strukturelektroden eingesetzt, deren Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen die Adsorption von Zwischenprodukten fördern. Die Ergebnisse zeigen, dass die Synergie aus der entwickelten 3D-Struktur, der Modifikation und der Nickel-Dotierung die kathodische Wasserstoffproduktion im photoelektrokatalytischen Prozess um das Zehnfache und die anodische Stromdichte der Glycerinoxidation um das 15-fache steigerte. Bei der elektrochemischen Reduktion von Nitrat zu Ammonium wurde in realen Salzwässern mit hoher Nitratbelastung eine 100%ige Nitratentfernungsrate und eine Ammoniumselektivität von über 60 % erreicht.
Das derzeit von Aidimme vorangetriebene, von Ivace+i und dem EU-FEDER-Fonds unterstützte ECO-RECEL-Projekt wandelt Aleppo-Kiefern-Zellulose über chemisch-elektrochemische Wege in hochwertige Produkte um und validiert die vier im SUR-FA-Projekt untersuchten Konfigurationen. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass das Elektrodendesign ein wichtiger Faktor ist, insbesondere in Durchflussreaktoren. Das SUR-FA-Projekt etablierte eine vollständige Methodik für das Design und die Validierung hocheffizienter poröser Elektroden und belegte, dass das Design mit dem endgültigen Prozess und der Anwendung verknüpft sein muss, was neue Möglichkeiten für den Einsatz fortschrittlicher Technologien in den Bereichen Energie und Umwelt eröffnet.
