Elektrochemie 2012: Forschung für eine nachhaltige Energieversorgung

Über 400 Wissenschaftler diskutieren hier über aktuelle Forschungsarbeiten und Entwicklungen zu neuen Batterietypen und elektrochemischen Speicherkonzepten, zu Brennstoffzellen und zur Elektrokatalyse, zu Korrosionsschutz und in der elektrochemischen Analytik, Synthese und Produktion.

Die Federführung bei der Tagungsorganisation hat die Fachgruppe Angewandte Elektrochemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh). Das wissenschaftliche Programm und die lokale Organisation der diesjährigen Tagung werden von den Professoren Dr. Katharina Krischer und Dr. Hubert Gasteiger koordiniert.

Der Gießener Elektrochemiker Professor Dr. Jürgen Janek ist erster von insgesamt 114 Vortragenden, die überwiegend aus Deutschland und dem europäischen Ausland, aber auch aus den USA und Japan anreisen. Janek interessieren die Festkörpersysteme in elektrochemischen Zellen, sei es in Hochtemperatur-Brennstoffzellen oder in Lithium-Batterien. Während früher die klassischen Zellkomponenten Elektroden aus festen Materialien und flüssige Elektrolyte waren, findet man bei Neuentwicklungen den Trend zu Elektroden und Elektrolyten vor, die beide in fester Phase vorliegen.
Hier ist aber die Kinetik der Grenzflächenvorgänge nur wenig untersucht. So versteht man häufig nicht, warum es zu den beobachtbaren Elektroden-Instabilitäten kommt. Zeitlich und räumlich hochaufgelöste Spektroskopie und Mikroskopie helfen, die Grenzflächenvorgänge aufzuklären. Hier besteht erheblicher Nachholbedarf in der Forschung.

Die Photoelektrokatalyse ist ein weiteres wichtiges Forschungsfeld in der Elektrochemie, insbesondere mit Blick auf das Zukunftsprojekt der Wasserstoffökonomie. Vorbild ist die Wasserspaltung und Wasserstoffproduktion in der Natur, die bei den Photosynthese-Prozessen in Pflanzen ablaufen. Theoretisch scheint alles ganz einfach: Damit Sonnenenergie in den „Solarbrennstoff“ Wasserstoff umgewandelt werden kann, muss an einem Photokatalysator, durch Licht induziert, eine Ladungstrennung erfolgen, dann müssen Redox-Äquivalente zu einem wasseroxidierenden Katalysator, der Anode, und zu einem Wasserstoff produzierenden Katalysator, der Kathode, transportiert werden. Aber diese „Künstliche Photosynthese“ funktioniert noch nicht, jedenfalls nicht zufriedenstellend hinsichtlich der Wasserstoffausbeute und der Lebensdauer der Katalysatoren.
Es fehlt zudem das Wissen, wie man den durch ein Lichtquant ausgelösten Einelektronen-Startprozess der Reaktion mit dem Multielektronenprozess, der bei der Katalyse abläuft, verknüpfen kann. Obwohl man in den vergangenen Jahren den Photosyntheseprozess in den Pflanzen durch immer bessere analytische Methoden und elektrochemische Experimente recht gut zu verstehen gelernt hat, wird hier weitere Forschung vonnöten sein, um die künstliche Photosynthese zur Wasserstoffproduktion einzusetzen. Professor Dr. Wolfgang Lubitz, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion in Mülheim/Ruhr, arbeitet auf diesem Gebiet, das er in München genauer erläutert.

Wie sich Wasserstoff an so genannten weichen Grenzflächen bilden kann, untersucht auch Professor Dr. Hubert Girault an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Zugrunde liegen elektrokatalytische Prozesse, basierend auf einer Potentialdifferenz zwischen zwei Phasen. Wasserstoff entwickelt sich beispielsweise an der Grenzschicht von Wasser und Dichlorethan an einem wasserunlöslichen Metallocen als Katalysator. Girault untersucht an ähnlichen Systemen auch die Reduktion von Kohlendioxid, die nur schwer gelingt. An der Phasengrenze zwischen Wasser und superkritischem CO2 setzt er dafür wasserlösliche Katalysatoren auf Nickel- oder Rutheniumbasis ein.

Ein weiterer Plenarvortrag, gehalten von Professor Dr. Thomas P. Moffat vom National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, USA, geht auf die Elektroabscheidung von Kupfer auf Halbleiter-Bauelemente ein, um diese zu „verdrahten“. Eigentlich ist die elektrochemische Abscheidung eine in der Praxis etablierte Methode. Das Wachstum der Kupferfilme und –drähte lässt sich aber dank einer ausgeklügelten Elektrochemie jetzt viel besser steuern.

Mit dieser Thematik befasst sich auch Dr. Kristina Tschulik am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden. Für ihre an der Technischen Universität Dresden eingereichte Doktorarbeit „Electrochemical Deposition of Metallic Layers and Structures in Magnetic Gradient Fields“ wird sie mit dem Förderpreis 2012 auf dem Gebiet der Angewandten Elektrochemie ausgezeichnet. Mit ihrer Arbeit hat sie einen wesentlichen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Wirkung überlagerter magnetischer Gradientenfelder auf die elektrochemische Abscheidung von strukturierten und dreidimensionalen Metallschichten geleistet.

Für ihre an der Technischen Universität Darmstadt eingereichte Doktorarbeit mit dem Thema „Elektronenmikroskopische Untersuchungen der Elektrodenstrukturen von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen – 3D und in situ“ erhält auch Dr. Susanne Zills den Förderpreis 2012 auf dem Gebiet der Angewandten Elektrochemie. Um die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu verbessern, muss man die Zusammenhänge zwischen Struktur und Leistungsfähigkeit von Membran-Elektroden-Einheiten besser verstehen. Dazu hat Zills mit ihren zwei- und dreidimensionalen Untersuchungen beispielsweise mit dem Rasterelektronenmikroskop und der Ionenfeinstrahl-Tomographie wesentlich beigetragen.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) gehört mit über 30.000 Mitgliedern zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Sie hat 28 Fachgruppen und Sektionen, darunter die Fachgruppe Angewandte Elektrochemie mit über 400 Mitgliedern. Alle zwei Jahre findet eine Tagung unter der Regie der GDCh-Fachgruppe Angewandte Elektrochemie statt. Zum dritten Mal ist es eine internationale Tagung, an der sich auch die GDCh-Fachgruppe Analytische Chemie, die Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie, die Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie, die Arbeitsgemeinschaft Elektrochemischer Forschungsinstitutionen, die Gesellschaft für Korrosionsschutz und die Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik beteiligen.