Performance and Degradation of BaCoO3 based Perovskite Catalysts during Oxygen Evolution in Alkaline Water Electrolysis

Die Umwandlung und Speicherung erneuerbarer Energie und Technologien zur Vermeidung von zukünftigen Treibhausgasemissionen sind die größten Herausforderungen zum Aufbau einer nachhaltig wirtschaftenden Gesellschaft. Wasserstoff als Energieträger wird in der zukünftigen Entwicklung des Energiemarktes eine entscheidende Rolle spielen. Die alkalische Wasserelektrolyse ist eine einfache und effiziente Methode zur Herstellung von Wasserstoff, welche das Potential hat, ihren ökonomisch sinnvollen Einsatz in zukünftigen Projekten zur Energieumwandlung und -speicherung im MW-Bereich zu finden. Neben Gesetzgebung und Anlagenauslegung für alkalische Elektrolyseure ist dafür vor allem die Effizienz des chemischen Prozesses ausschlaggebend. Die chemische Reaktion der alkalischen Wasserelektrolyse wird von der vergleichsweise langsamen Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode gehemmt. Katalysatormaterialien, welche die anodische Reaktion katalytisch beschleunigen, gleichzeitig günstig in der Herstellung sind und lange Lebenszeiten aufweisen, sind gesucht. Oxydische Materialien, vor allem Perowskite, sind bekannt für ihre Fähigkeit zur Katalyse der Sauerstoffentwicklungsreaktion. Es wurde jedoch beobachtet, dass perowskitische Katalysatoren ihre Kristallinität über die Einsatzdauer verlieren können und dabei auch teilweise Kationen aus dem Gitter verlieren. Im Gegensatz zu bereits vorherrschenden Messpraktiken zeigt diese Arbeit anhand von BaCoO3-d basierten Katalysatoren, beispielsweise Pr0.2Ba0.8CoO3-d (PBCO) und Ba0.5Sr0.5Co0.5Fe0.5O3-d (BSCF) Dünnschichten, dass die Degradation von Perowskiten bei einsatzrelevanten Temperaturen (80 °C) massiv voranschreitet und zu einem Masseverlust in der gesamten Dünnschicht führt, der auch eine komplette Amorphisierung der Dünnschicht mit sich bringt. Für die Aufklärung der Vorgänge wird zunächst mithilfe hochenergetischer Röntgenbeugung und resonanter Röntgenbeugung in Kombination mit Röntgenabsorptionsspektroskopie eine strukturelle Charakterisierung der PrxBa1-xCoO3-d Reihe durchgeführt, bei der sowohl ein Übergang von hexagonaler zu kubischer Struktur, als auch ein Übergang von Sauerstoff-Leerstellen-Ordnung zu Kationen-Ordnung beobachtet werden kann. Die Charakterisierung der Stabilität und Lebensdauer der Perowskit-Elektrokatalysatoren wird durch einen eigens dafür entwickelten Test umgesetzt (End of Service Life Test, ESLT), der den Masseverlust sowie die Veränderung der elektrochemischen Eigenschaften über die Gesamtle