Elektrochemische Energieumwandlung

Die notwendige De-fossilisierung von Transport, Industrie und Heizung – im Allgemeinen als Energiewende bezeichnet – stellt eine Herausforderung dar und erfordert innovative Lösungen für grundlegende wissenschaftliche und technologische Probleme. Elektrochemische Technologien, einschließlich der Wasserelektrolyse, Batterien und Brennstoffzellen, spielen in diesem Übergang eine entscheidende Rolle. Des Weiteren ist ein steigendes Interesse an anderen elektrosynthetischen Prozessen zu verzeichnen, insbesondere im Kontext der Kreislaufwirtschaft.

In der wissenschaftlichen Literatur wird üblicherweise bei der Untersuchung elektrochemischer Prozesse auf stationäre Gleichstrombedingungen (DC) zurückgegriffen. Wechselstrombedingungen (AC) finden hauptsächlich bei der Analyse elektrochemischer Prozesse Anwendung, beispielsweise in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) oder der nichtlinearen elektrochemischen Impedanzspektroskopie (NLEIS). Letztere nutzt größere Eingangssignale und findet beispielsweise bei der Diagnose von Batterien Anwendung. In jüngster Zeit hat eine rasch anwachsende Gemeinschaft von Forschern positive Auswirkungen von Hochamplituden-AC-Elektrolyse auf die Selektivität in der Elektrosynthese berichtet. Die unterschiedlichen Aspekte der AC-Bedingungen, d. h. Analyse vs. Prozessverbesserungen, werden derzeit innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft als nicht zusammenhängend betrachtet.

Das übergeordnete Ziel ist die Etablierung eines allgemeinen Rahmenwerks zur Analyse und Optimierung elektrochemischer Prozesse unter AC-Bedingungen (z. B. hinsichtlich Selektivität, Energieeffizienz usw.). Der hier vorgestellte Ansatz integriert mechanistische und datengetriebene mathematische Modelle elektrochemischer Prozesse mit sorgfältig gestalteten Experimenten. Die Vielzahl experimenteller Beispiele, darunter Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse, CO2-Reduktionsreaktion, Sauerstoffreduktionsreaktion sowie bioelektrochemische Prozesse, erlaubt eine Verallgemeinerung des Verhaltens unter AC-Bedingungen. Die Forschung lässt sich in folgende Bereiche untergliedern:

Grundlagen der dynamischen Elektrochemie
Energiewandler unter dynamischen Bedingungen
Datengetriebene Analyse elektrochemischer Prozesse