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DE102021118226A1 - Beschichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Kern-Schalen-Nanopartikeln - Google Patents

Beschichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Kern-Schalen-Nanopartikeln Download PDF

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DE102021118226A1
DE102021118226A1 DE102021118226.3A DE102021118226A DE102021118226A1 DE 102021118226 A1 DE102021118226 A1 DE 102021118226A1 DE 102021118226 A DE102021118226 A DE 102021118226A DE 102021118226 A1 DE102021118226 A1 DE 102021118226A1
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DE
Germany
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oxide
coating
shell
core
iridium
Prior art date
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DE102021118226.3A
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English (en)
Inventor
Marc Ledendecker
Daniel Göhl
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Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
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Publication date
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Abstract

Eine Beschichtung (10) für eine Polymerelektrolytmembran, PEM (210), eines Elektrolyseurs umfasst eine Vielzahl von Nanoteilchen (100), wobei jedes Nanoteilchen (100) einen Kern (110) aus einem Übergangsmetalloxid und eine Schale (120) aus einem Iridiumoxid umfasst und die Schale höchstens zehn Atomlagen aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung für eine Polymerelektrolytmembran und ein Verfahren zur Herstellung von Kern-Schalen-Nanopartikeln und insbesondere auf Kern-Schalen-Nanopartikel für die Wasserelektrolyse mit einem Übergangsmetalloxidkern und einer IridiumoxidSchale.
  • HINTERGRUND
  • Zur Produktion von grünem Wasserstoff kann beispielsweise die Wasserelektrolyse genutzt werden, bei der durch eine elektrische Spannung Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird.
  • Hierfür kommen beispielsweise Polymerelektrolytmembranen-Elektrolyseure zum Einsatz. Die Polymerelektrolytmembrane (PEM) trennt die Elektrolyseeinrichtung in eine Anoden- und eine Kathodenseite, wobei auf der Anodenseite der Sauerstoff abgespalten wird und die Wasserstoffkerne durch die PEM zur Kathodenseite gelangen und dort nach Aufnahme von Elektronen als Wasserstoff vorliegen. Die PEM ist daher ausgebildet, um die Protonen von der Anodenseite zur Kathodenseite zu transportieren, nicht jedoch den Sauerstoffanteil des Wassers. Der Transport wird durch das elektrische Feld bestimmt.
  • Gegenüber anderen Arten der elektrolytischen Spaltung, wie beispielsweise dem alkalischen Elektrolyseur, bieten PEM-Elektrolyseure den Vorteil, dass eine hohe Leistungsdichte und eine schnelle Anpassung an schwankende Leistungen möglich ist. Ein Nachteil der PEM-Elektrolyseure besteht in dem Einsatz von edelmetallhaltigen Elektrokatalysatoren. Insbesondere an deren Anode von konventionellen Anlagen wird eine große Menge an kristallinem Iridiumoxid für die Sauerstoffentwicklung benötigt. Dieses Material ist gleichzeitig aktiv und stabil unter den hohen Potentialen der Wasserspaltung.
  • Reines Iridium oder Iridiumoxid führt allerdings zu einer geringen Iridium-Ausnutzung. Daher sind bei konventionellen Anlagen eine Beladung auf der Anodenseite in einer Höhe von 2 mg/cm2 erforderlich. Dies ist eine sehr hohe Konzentration. Für eine breite kommerzielle Nutzung sind Dichten von 0,05 mg/cm2 wünschenswert. Als Alternativen wurden beispielsweise Iridiumoxid-Mischoxide in Betracht gezogen, die zwar eine höhere Aktivität aufweisen, allerdings weitaus weniger stabil sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Iridiumoxid zu immobilisieren und zwar auf oxidischen Trägermaterialien. Hier besteht allerdings der Nachteil, dass die Stabilität bzw. eine hohe Leitfähigkeit nicht gewährleistet werden kann. Außerdem besteht die Gefahr von Sinterprozessen und Umstrukturierungen, insbesondere bei hohen Temperaturen, was zu einem Verlust an aktiven Zentren führt.
  • Bisher besitzt reines Iridiumoxid die höchste Sauerstoffentwicklungsleistung gemessen an der Menge entwickelten Sauerstoffs pro degradiertem Iridiumatom (das ist die sogenannte S-Nummer).
  • Weitere konventionelle Lösungen sind in US 2017/0128917 A1 beschrieben, wobei Kern-Schalen-Partikel mit einem keramischen Kern und eine metallische Edelmetallschale genutzt werden. In US 2010/0216632 A1 sind weitere Kern-Schalen-Partikel aus einem metallischen, passivierenden Kern und einer metallischen Edelmetallschale als potentielle Elektrokatalysatoren beschrieben. Kern-Schalen-Partikel mit einem oxidischen Kern und einer metallischen Edelmetallschale sind in US 0,123,976 B2 beschrieben. Diese werden in Brennstoffzellen und für Lithium-Luft-Batterien eingesetzt.
  • Auch diese konventionellen Ansätze erreichen nicht die gewünschte Leistung aufgrund der geringen Stabilität von metallischem Iridium während der Sauerstoffentwicklung. Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Alternativen, um die obengenannten Nachteile zu überwinden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Beschichtung von PEMs nach Anspruch 1, eine Membranelektrodenanordnung (MEA) nach Anspruch 4 und ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung und insbesondere auf eine Katalysatorbeschichtung für eine Polymerelektrolytmembran, PEM, eines Elektrolyseurs. Die Beschichtung umfasst eine Vielzahl von Nanoteilchen, wobei jedes Nanoteilchen einen Kern aus einem Übergangsmetalloxid und eine Schale aus einem Iridiumoxid umfasst und die Schale höchstens zehn Atomlagen aufweist.
  • Es versteht sich, dass Ausführungsbeispiele sich auch auf eine Vielzahl der genannten Kern-Schalen-Nanopartikel selbst beziehen, solange sie für eine Beschichtung einer PEM geeignet sind (z.B. als Katalysatorschicht auf einer Anodenseite des Elektrolyseurs).
  • Optional umfasst das Übergangsmetalloxid des Kerns zumindest eines der folgenden Oxide: Siliziumoxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Wolframoxid. Hier können verschiedene stöchiometrische Verhältnisse eingesetzt werden, z.B. SiO2, TiO2, ZrO2. HfO2, Nb2O5. Ta2O5, WO3.
  • Optional umfasst der Kern einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 4 bis bis 100 nm (oder von höchstens 15 nm oder von höchstens 20 nm). Die Schale kann eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,2 bis 3 nm aufweisen.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für einen Elektrolyseur. Die MEA umfasst: eine Beschichtung, wie sie zuvor definiert war, eine PEM, welche eine Anodenseite und eine Kathodenseite des Elektrolyseurs trennt, und eine Transportschicht. Die PEM ist ausgebildet, um Protonen von der Anodenseite zur Kathodenseite zu leiten (ist ein Protonenleiter). Die Transportschicht ist ausgebildet, Elektronen von der Anodenseite zur Kathodenseite wegzuleiten. Die Beschichtung ist zwischen der PEM und der Transportschicht als Katalysatorschicht ausgebildet.
  • Die Ausführungsbeispiele beziehen sich sowohl auf katalysatorbeschichtete Membranen (engl. „catalyst coated membranes, CCM) und auf Gasdiffusionselektroden (GDE)
  • Optional umfasst die Beschichtung eine Schichtdicke von höchstens 10 µm.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf einen Elektrolyseur mit einer MEA, wie sie zuvor definiert war.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kern-Schalen-Nanopartikel. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • - Herstellung einer Suspension von Übergangsmetalloxidnanopartikeln;
    • - Bereitstellung einer Lösung einer Iridiumvorstufe;
    • - Abscheidung der Iridiumvorstufe auf dem Übergangsmetalloxid;
    • - Zugabe einer Silizium-Vorstufe;
    • - Quenschen;
    • - Sammeln des Niederschlages und Kalzinieren; und
    • - Herauslösen (Auflösen) des überschüssigen Siliziumdioxids.
  • Optional umfasst das Verfahren noch zumindest einen der folgenden vorteilhaften Schritte:
    • - Bereitstellen einer Mischung, wobei die Mischung ein Alkan oder Aromat, Polydialkoholether, Wasser und ein Hydroxid umfasst;
    • - Umwandeln der Mischung in eine erste Mikroemulsion (als Vorbereitung zur Herstellung der Übergangsmetalloxidnanopartikel);
    • - Umwandeln der Lösung der Iridiumvorstufe in eine zweite Mikroemulsion durch Zugabe (z.B. als Mischung in Wasser) von Polydialkoholether, eine Iridium-Vorstufe und einem Alkan oder einem Aromaten;
    • - Vermischen der ersten Mikroemulsion und der zweiten Mikroemulsion.
  • Es versteht sich, dass die Schritte hier nur als Liste genannt sind, ohne dass die Reihenfolge zwingend eingehalten werden muss (bzw. nur dann, wenn es anders nicht möglich ist).
  • Ausführungsbeispiele lösen zumindest einen Teil der obengenannten Probleme durch die Nutzung von Kern-Schalenpartikel für den beispielhaften Katalysator, wobei um einen Übergangsmetalloxidkern eine Iridiumoxidschale ausgebildet ist. Die Iridiumoxidschale umfasst nur einige Atomlagen (beispielsweise nur eine Atomlage oder ca. fünf oder höchstens 10 Atomlagen). Der Katalysator kommt beispielsweise als Katalysatorschicht auf einer Anodenseite eines Elektrolyseurs zum Einsatz.
  • Das Kernoxid wird beispielsweise derart ausgewählt, dass sich das Iridiumoxid während der Hochtemperatursynthese nicht in dem Oxid löst, so dass Synthesetemperaturen von bis zu oder über 1000°C möglich werden. Der resultierende Katalysator bietet eine erheblich erhöhte Iridium-Ausnutzung. So sind beispielsweise eine um 50% höhere Ausnutzung bei drei Monolagen möglich bzw. eine um 70% höhere Ausnutzung bei nur zwei Monolagen im Vergleich zu 5 nm großen reinen IrO2-Partikeln. Aufgrund der hohen Synthesetemperatur wird gleichzeitig aber auch eine hohe Stabilität erreicht. Durch die Kern-Schalen-Strukturierung kann außerdem eine geringe, auf Iridium bezogene Packungsdichte erreicht werden. Dadurch kann die Anodenbeladung deutlich, beispielsweise um einen Faktor von 20 bis 40, reduziert werden.
  • Durch diese Maßnahmen ermöglichen Ausführungsbeispiele schließlich eine drastische Reduktion des Iridiumgehalts bei gleichbleibender Aktivität und Stabilität des Elektrokatalysators.
  • Figurenliste
  • Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
    • 1A,1B zeigen eine Beschichtung mit Kern-Schalen-Nanopartikel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 2A-2C veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel für eine Katalysatorschicht auf einer Anodenseite eines PEM-Elektrolyseurs.
    • 3 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Kern-Schalen-Nanopartikel gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    • 4 zeigt ein Röntgendiffraktogramm der Katalysatorschicht gemäß Ausführungsbeispielen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1A zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Beschichtung 10 für eine Polymerelektrolytmembran, PEM 210, die in einem Elektrolyseur eingesetzt werden kann bzw. dafür bestimmt ist. Die Beschichtung umfasst eine Vielzahl von Nanoteilchen 100 (oder Nanopartikel), wobei jedes Nanoteilchen 100 einen Kern 110 aus einem Übergangsmetalloxid und eine Schale 120 aus einem Iridiumoxid umfasst und die Schale höchstens zehn Atomlagen aufweist.
  • 1B zeigt beispielhaft ein Nanopartikel 100 gemäß Ausführungsbeispielen, aus dem die Beschichtung 10 aufgebaut wird. Das Nanopartikel 100 umfasst einen Kern 110 und eine Schale 120, die jeweils eine Vielzahl von Atomen aufweisen. Der Kern 110 umfasst beispielhaft Niob-Kationen (große weiße Kugeln) und Oxidanionen (kleine graue Kugeln). Die Schale 120 umfasst Iridium-Kationen (schwarze Kugeln) und Oxidanion (kleine graue Kugeln). Zusammen bilden sie ein Übergangsmetalloxidkern@Iridiumoxidschale-Nanopartikel 100. Die Schalendicke beträgt beispielsweise 0,5 nm, was ca. 2 Atomlagen entspricht. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Schalendicke in einem Bereich von 0,2 bis 1 nm, was ca. 1 bis 5 Atomlagen (oder weniger als 10) beträgt.
  • Als Übergangsmetalloxid des Kernes 110 kann z.B. SiO2, TiO2, ZrO2. HfO2, Nb2O5. Ta2O5, WO3 genutzt werden, wobei die stöchiometrischen Verhältnisse auch anders sein können.
  • 2 zeigt schematisch eine Anodenseite einer Trennmembrane eines PEM-Elektrolyseurs. Die Membrane umfasst ein Katalysatorschicht 220, die zwischen einer PEM 210 und einer Transportschicht 230 ausgebildet ist. Die PEM 210 ist Protonen-leitfähig, um die Protonen von der Anodenseite zur Kathodenseite zu transportieren (aufgrund der angelegten elektrischen Spannung). Die Transportschicht 230 ist beispielsweise eine poröse Titanschicht und transportiert die Elektronen , die durch die Oxidation das Oxidanions gewonnen werden, von der Anodenseite weg. In der 2A bis 2C sind verschiedenen Iridium-Beladungen dargestellt.
  • In der 2A (links) umfasst die Katalysatorschicht 220 konventionelle reine Iridiumoxid-Nanopartikel 221. Dies bietet den Vorteil, dass eine hohe Leitfähigkeit erreicht wird, allerdings ist eine hohe Iridium-Beladung erforderlich.
  • Die 2B zeigt eine weitere Katalysatorschicht 220 mir reinen Iridiumoxid-Nanopartikeln 221, die jedoch nur in einer geringen Dicke auf der PEM 210 aufgetragen sind (z.B. einlagig). Als Folge wird zwar eine geringe Iridium-Beladung erreicht. Jedoch ist nur eine geringe Leitfähigkeit erzielbar, da nicht alle Iridiumoxid-Nanopartikel 210 in Kontakt mit der beispielhaften porösen Titantransportschicht 230 stehen. So tragen die Iridiumoxid-Nanopartikeln 222 nicht zur Sauerstoffentwicklung bei.
  • 2C zeigt eine Katalysatorschicht 220 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Katalysatorschicht 220 umfasst Kern-Schale-Nanopartikel 100 (siehe 1B), die eine geringe Iridium-Beladung erreichen, ohne dafür Leitfähigkeitseinbußen hinnehmen zu müssen. Gemäß Ausführungsbeispiele wird dies dadurch erreicht, dass alle Schichten von Nanopartikel 100 miteinander in Kontakt stehen, um Elektronen abzuleiten.
  • 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Partikel 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren umfasst:
    • - Bereitstellen S301 einer Mischung mit: Polydialkoholether (z.B. Polyethylenglykol-dodecylether), Alkan, Wasser und ein Hydroxid;
    • - Umwandeln S302 der Mischung in eine erste Mikroemulsion (z.B. durch eine Behandlung mit Ultraschall);
    • - Herstellen S310 einer Übergangsmetalloxidnanopartikelsuspension;
    • - Bereitstellen S320 einer Lösung einer Iridiumvorstufe;
    • - Umwandlung S321 der Iridiumvorstufenlösung in eine zweite Mikroemulsion durch Zugabe von Polydialkoholether (z.B. Polyethylenglykol-dodecylether), und einem Alkan (z.B. Heptan) oder einem Aromaten;
    • - Vermischen S322 der ersten Mikroemulsion und der zweiten Mikroemulsion;
    • - Abscheidung S330 der Iridiumvorstufe auf das Übergangsmetalloxid;
    • - Zugabe S340 einer Silizium-Vorstufe (z.B. Kieselsäureester);
    • - Quenschen S350 (z.B. durch Zugabe von Methanol);
    • - Sammeln S3\60 des Niederschlages (z.B. durch Zentrifugieren) und Kalzinieren; und
    • - Auflösen S370 des überschüssigen Siliziumdioxids (z.B. durch Zugabe von Flusssäure).
  • In dem Verfahren sind die gestrichelt dargestellten Schritte in der 3 optionale Schritte, die Vorteile bieten, jedoch nicht zwingend vorhanden sind.
  • Optional können auch ein oder mehrere Rühr-Schritte vorgesehen sein, um z.B. ein Vermischen oder eine möglichst vollständige Hydrolyse zu erreichen. Das Rühren/Vermischen kann auch parallel zu den anderen Schritten ablaufen. Unter einer Vorstufe soll beispielsweise ein Zwischenprodukt bei einer Herstellung des entsprechenden chemischen Elements verstanden werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Synthese im Detail auch wie folgt durchgeführt werden:
    • - In einem Rundkolben werden 240 mL trockenes Heptan vorgelegt und 54 mL Polyethylenglykol-dodecylether (Brij-L4©), 7,6 mL Wasser und 2 mL NaOH (10 M) zugegeben.
    • - Die Mischung kann 10 min im Ultraschallbad behandelt werden, um eine inverse Mikroemulsion herzustellen.
    • - Anschließend kann unter ständigem Rühren eine Lösung von 1,6 mL Übergangsmetallisopropoxid (10 w% Stammlösung) in 120 mL trockenem Heptan schnell zugegeben werden.
    • - Das Gemisch kann dann vier Stunden gerührt werden, um eine vollständige Hydrolyse zu gewährleisten.
    • - In einem separaten Rundkolben kann eine zweite inverse Mikroemulsion zubereitet werden, die 46 mL trockenem Heptan, 7,2 mL Brij-L4©, 1 mL Wasser und 150 mL H2IrCl6 aufweist.
    • - Diese zweite Mikroemulsion kann über 30 min mit der ersten Mikroemulsion vereinigt werden.
    • - Die Mischung wird beispielsweise zwei Stunden unter aktiver Luftzufuhr gerührt und anschließend beispielsweise auf 50°C erhitzt. Die Mischung kann dann für weitere 2h gerührt werden.
    • - Anschließend kann 1,5mL Tetraethylorthosilikat zugegeben und über Nacht bei RT (Raumtemperatur) gerührt werden.
    • - Die Reaktion kann durch Zugabe von 300 mL Methanol gequencht werden.
    • - Der Niederschlag kann durch Zentrifugation gesammelt und optional mit Methanol und Aceton zweimal gewaschen werden.
    • - Das getrocknete Rohprodukt kann anschließend bei 500-1100 °C im Muffelofen kalziniert werden.
    • - Abschließend kann überschüssiges SiO2 mittels Flusssäurebehandlung entfernt werden um den finalen Katalysator zu erhalten.
  • Die Reihenfolge der Schritte bei der Herstellung der Partikel 100 kann genauso ablaufen, wie in der obigen Auflistung erwähnt. Die Reihenfolge kann aber auch abweichen bzw. Schritte können auch parallel ausgeführt werden. Ebenso müssen nicht zwingend alle Schritte vorhanden sein (z.B. das Rühren bzw. Vermischen) bzw. die Schritte können auch kürzer oder länger ausgeführt werden. Die obige Darstellung soll nur ein Beispiel darstellen, welches ein Fachmann zur Herstellung nutzen kann.
  • Die Synthese kann auch in puren wässrigen oder puren organischen Lösungsmittel stattfinden, falls geeignete Dispersionsmittel für die Partikel verwendet werden können.
  • Einige der Stoffe aus dem Herstellungsverfahren können auch ersetzt werden. So kann anstatt Polyethylenglykol-dodecylether auch eine Chemikalie aus der Klasse Polyethylenglykolether bzw. Polydialkoholether genutzt werden. Generell können auch andere Tenside verwendet werden, die bis pH 12 stabile Emulsionen bilden. Anstatt Heptan sind auch andere Alkane oder Aromaten möglich. Anstatt von NaOH kann jedes andere Hydroxid bzw. jede andere Base bis zu einer Basenstärke (pKB) von 5 verwendet werden. Anstatt H2IrCl6 können weitere Vorstufen von Iridium verwendet werden, z.B. IrCl3, Alkalisalze von H2IrCl6 oder H3IrCl6, Ir-Hydroxide oder auch kolloidale IrOx-Lösungen (o<x<3). Anstatt Tetraethylorthosilikat kann auch Tetramethylorthosilikat oder Tetrapropylorthosilikat verwendet werden, generell können Siliciumalkoxide oder andere Vorstufen genutzt werden.
  • Die Abscheidung des Iridiums kann durch mehrere Verfahren erfolgen, wie zum Beispiel Erhitzen, Übersättigung der Mikroemulsion, Zugabe eines Oxidationsmittels wie z.B. Wasserstoffperoxid und Hypochlorite, oder Ausfällung durch Zugabe von z.B. NH4Cl oder HCl.
  • Das Herauslösen des Siliziumdioxids kann außer durch Flusssäure auch durch (heiße) konzentrierte Alkalilauge (NaOH, KOH;...), Ammoniumfluorid, weitere Fluoride, oder Chlorgas erfolgen.
  • 4 zeigt ein Röntgendiffraktogramm der Katalysatorschicht 10 bei 900 °C kalziniert und veranschaulicht das gleichzeitige Vorhandensein der kristallinen IrO2- und Nb2O5-Phase ohne die Bildung eines Mischoxides.
  • Die folgende Tabelle zeigt eine elementare und kompositionelle Zusammensetzung des Katalysators (der Katalysatorschicht 10) vor dem Herauslösen des SiO2, wie mittels Röntgenfluoreszenzanalyse ermittelte wurde. Die Iridiumoxidkonzentration des Katalysators (ohne SiO2) beträgt dabei nur 28%, was eine deutliche Reduktion zu dem Stand der Technik (100%) ist.
    Compound Conc / w% Conc / a%
    SiO2 48,7 63,3
    P2O5 3,4 3,7
    Cl 4,7 10,5
    CaO 0,2 0,2
    Nb2O5 30,6 17,9
    IrO2 12,3 4,3
  • Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten konventionellen Lösungen beschreiben Ausführungsbeispiele ein Kern-Schale-Elektrokatalysator, der aus einem oxidischen Kern und einer Iridiumoxidschale bestehen kann.
  • Vorteile von Ausführungsbeispielen können wie folgt zusammengefasst werden:
    • - Die erfindungsgemäß hergestellten Katalysatoren ermöglichen im Wesentlichen eine geringere Anodenbeladung bis hinab zu 0,05 mg/cm2.
    • - Durch die geringe Dichte der Kern-Schale-Partikel kann außerdem die erforderliche Katalysatorschichtdicke von 4 µm dennoch beibehalten werden, um so die Leitfähigkeitsverluste oder Kurzschlüsse zu verhindern und außerdem die Leitfähigkeit beizubehalten.
    • - Durch die Möglichkeit, hohe Temperaturen während der Synthese anzuwenden, wird außerdem eine hohe partikuläre Stabilität auf der Nanoebene erreicht.
  • Somit erlauben insgesamt Katalysatoren gemäß Ausführungsbeispielen eine deutliche Reduktion, ohne Einbußen der Leistung und Stabilität hinnehmen zu müssen. Dadurch wird der Elektrolyseur kostengünstig und effizient.
  • Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Beschichtung (Katalysatorschicht)
    100
    Nanopartikel
    110
    Kern eines Nanopartikels
    120
    Schale eines Nanopartikels
    200
    Trennmembrane eines PEM-Elektrolyseurs
    210
    Polymerelektrolytmembrane (PEM)
    220
    Katalysatorschicht
    221
    reine Iridiumoxid-Nanopartikel (kein Kern-Schale-Partikel)
    222
    Iridiumoxid-Nanopartikel (tragen nicht zum Elektronentransport bei)
    230
    Transportschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20170128917 A1 [0007]
    • US 20100216632 A1 [0007]

Claims (8)

  1. Beschichtung (10) für eine Polymerelektrolytmembran, PEM (210), eines Elektrolyseurs, die Beschichtung (10) umfasst: eine Vielzahl von Nanoteilchen (100), wobei jedes Nanoteilchen (100) einen Kern (110) aus einem Übergangsmetalloxid und eine Schale (120) aus einem Iridiumoxid umfasst und die Schale höchstens zehn Atomlagen aufweist.
  2. Beschichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Übergangsmetalloxid des Kerns (110) zumindest eines der folgenden Oxide umfasst: Siliziumoxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Wolframoxid.
  3. Beschichtung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Kern (110) einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 4 bis 100 nm oder von höchstens 15 nm oder von höchstens 20 nm aufweist und die Schale (120) eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,2 bis 3 nm aufweist.
  4. Membranelektrodenanordnung (200), die eine Anodenseite und eine Kathodenseite eines Elektrolyseurs trennt und Folgendes umfasst: eine Beschichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3; eine PEM (210), die ausgebildet ist, um Protonen von der Anodenseite zur Kathodenseite zu leiten; und eine Transportschicht (230) zum Abtransportieren von Elektronen von der Anodenseite, wobei die Beschichtung (10) zwischen der PEM (220) und der Transportschicht (230) als Katalysatorschicht ausgebildet ist.
  5. Membranelektrodenanordnung (200) nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung (10) eine Schichtdicke von höchstens 10 µm aufweist.
  6. Elektrolyseur mit einer Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 4 oder 5.
  7. Verfahren zur Herstellung von Kern-Schalen-Nanopartikel (100) mit: Herstellen (S310) einer Suspension von Übergangsmetalloxidnanopartikeln; Bereitstellen (S320) einer Lösung einer Iridiumvorstufe; Abscheiden der Iridiumvorstufe (S330) auf das Übergangsmetalloxid; Zugabe (S340) einer Silizium-Vorstufe; Quenschen (S350); Sammeln (S360) des Niederschlages und Kalzinieren, um die Kern-Schalen-Nanopartikel (100) zu erhalten; und Auflösen (S370) der Siliziumdioxidschale .
  8. Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (S301) einer Mischung mit: Alkan oder Aromat, Polydialkoholether, Wasser und ein Hydroxid; Umwandeln (S302) der Mischung in eine erste Mikroemulsion; Umwandeln (S321) der Lösung der Iridiumvorstufe in eine zweite Mikroemulsion durch Zugabe von Polydialkoholether und einem Alkan oder einem Aromaten; Vermischen (S322) der ersten Mikroemulsion und der zweiten Mikroemulsion.
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