The centre

The research efforts will concern a number of different types of materials. For the electrolyser cells this includes ion conducting polymeric electrolytes, construction materials (bipolar plates, current collectors) and catalyst materials. Upon the results of a systematic characterization, selection of the materials will be made for further fabrication of membrane-electrode assemblies (MEA´s). Single cell tests will then be conducted on a laboratory level for performance and stability evaluation of the materials and the feasibility of the MEA fabrication techniques.  In a similar way, a photo catalytic cell will, besides the catalytic materials demand materials suitable for immobilizing these catalysts, require separator materials, window materials and construction materials.

For both types of cells, catalyst materials is a major issue for further technological development. In particular, the catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) needs further development.

In this project we will be working on identifying new materials that can either be used as photo catalyst or in a reversible fuel cell for OER. The method will rely on a theoretical and experimental approach. Substantial understanding has now been gained on electrode materials for the ORR, both for use both in acidic and alkaline solutions. The trends that are observed in the ability to split water and evolve oxygen are basically understood as being limited by the bonding energy of oxygen and hydroxyl groups sitting on the surface. Preliminary results show that the ideal material must be sufficiently reactive to split water while at the same time not bonding oxygen and the hydroxyls too strongly. Thus, it is a matter of finding new materials such as metal alloys, which are modified by corrosion during the process or combinations of mixed oxides, or nanoclusters, which provide new functionality due to their small size.

At the OER very corrosive conditions will generally exist due to anodic potential in combination with the presence of oxygen, and eventually elevated temperatures. It is therefore an important part of the activities to develop materials which besides the their catalytic properties also possess sufficient corrosion resistance   

Summary in Danish
1.april. 2009

Projektet har iværksat en bred vifte af aktiviteter indenfor en lang række af de forskellige typer materialer, der kræves i forbindelse med hydrogenfremstilling ved vandelektrolyse og fotokatalyse.

Én af vejene man kan gå for at forøge effektiviteten af vandelektrolyse er at hæve driftstemperaturen. Da HyCycle i denne sammenhæng fokuserer på PEM-baserede celler, er det påkrævet at have adgang til membranmaterialer, der er tilstrækkeligt mekanisk og kemisk stabile til at kunne benyttes ved temperaturer op til ca. 150oC. Der er således fremstillet Nafion-PBI-zirconiumphosphat komposit-membraner, såvel som cross-linkede PBI membraner.
Tilsvarende gælder for materialerne, der benyttes til bipolære plader, samt til porøse gasdiffusionslag, at de skal kunne modstå høj temperatur, surt miljø (H3PO4 eller H2SO4 fra membranerne), samt for anoden et stærkt oxiderende potential. Der er således testet en række forskellige konstruktionsmaterialer, hvoraf rustfrit stål belagt med tantal tegner mest lovende til de mest udsatte dele. Titan er derimod ikke brugbart ved de ønskede driftstemperaturer. 
En undersøgelse ved brug af ESR af dannelse af radikaler på elektroderne ved elektrolyse eller i brændselsceller er indledt. Disse radikaler formodes at medvirke til nedbrydning af membran-materialer. Indflydelsen fra katalysatorer og katalysatorbærematerialer på radikaldannelsen ønskes undersøgt, med henblik på at kunne foreslå modifikationer af elektrodematerialerne.
En række forskellige oxidmaterialer med kendt katalytisk aktivitet overfor oxygendannelse/oxidation af vand er fremstillet som belægninger for test i H3PO4 ved forhøjede temperaturer. Dette omfatter kombinationer af navnlig Ta2O5,TiO2, Nb2O5, RuO2, IrO2, Sb2O5  eller SnO2, hvoraf RuO2 eller IrO2 dog altid er inkluderet.
Der er udført et indledende arbejde med fremstilling af MEAer med sådanne oxidbaserede anodematerialer. Der er endvidere gennemført vandelektrolyse i en laboratoriecelle ved temperaturer op til 170oC ved 1 atm, dvs. med vand i dampform.
Et par forskellige kommercielle elektrolysatorer er under test, således at der kan etableres referencer med hensyn til state of the art system– og stak-effektivitet.

Et væsentligt aspekt er at erstatte platin og iridiumoxid som henholdsvis katode- og anode-elektrokatalysatorer med billigere grundstoffer. Der er således udført en række tests af alternative anodematerialer, specielt RuO2, CoOx, MnOx og NiOx. Heraf gav RuOx som forventet den højeste aktivitet, men CoOx har vist bedre stabilitet ihvertfald for pH>5, og kun lidt dårligere aktivitet.
Der er desuden indledt tests af to-kernede mangankomplekser som katalysatorer for oxygenudviklingen (dvs som anode), inspireret af oxygenudviklingen i fotosyntesen (Oxygen Evolving Center, OEC). Der er fremstillet en række di-mangan komplekser, der udviser en alsidig redoxkemi, der er relateret til aktivering af H2O og O2. Der er på denne måde fremstillet et modelsystem, hvor det har vist sig at Eº(MII2/MIIMIII) og Eº(MIIMIII/MIII2) kan varieres over et område på mere end 1V, uden at der ændres på hverken ligandernes donoratomer, størrelsen af chelate ringe, geometrien omkring metalatomerne eller den samlede ladning. Der er udført screening af de fremstillede kompleksers aktivitet for oxidation af vand, og samtidig måling af oxygenudviklingen. Der er nu opnået hastigheder for dannelse af oxygen, der er sammenlignelige med hvad der forekommer i forbindelse med fotosyntesen.

DFT-beregninger over katysatorer er nu udvidet til at omfatte også halvledere, frem for alene metalliske ledere, ikke mindst fordi dette er relevant for fotokatalysen.