Im Rahmen von MECS befasst sich die Forschungsgruppe „Elektrochemische Energieumwandlung“ unter der Leitung von Alexander Opitz mit der elektrochemischen Reduktion von Gasen wie CO₂, CO und N₂ in Festoxidzellen. Ziel ist es, grundlegende Erkenntnisse zu den Reaktionsmechanismen und Materialeigenschaften zu gewinnen, um effizientere und langlebigere Lösungen für die chemische Energiespeicherung zu entwickeln. Der Zugang der Gruppe, um dieses Ziel zu erreichen, ist es die relevanten Oberflächenprozesse auf atomarer Ebene zu verstehen. Dazu werden in-situ-Experimente durchgeführt, die elektrochemische Messungen mit oberflächenanalytischen Methoden kombinieren. Durch diese Herangehensweise soll ein tiefergehendes Wissen über die Funktionsweise und Optimierung von Materialien für die chemische Energiespeicherung gewonnen werden.

a) Elektrochemische Hochtemperatur-CO₂-Elektrolyse
Die Reduktion von CO₂ zu CO in Festoxid-Elektrolysezellen (Solid Oxide Electrolysis Cells, SOECs) ist bei den hohen Betriebstemperaturen von SOECs (600–800 °C) sowohl thermodynamisch als auch kinetisch begünstigt. Ein Problem dabei ist jedoch die mögliche Folgereduktion von CO, die zur Ablagerung von Kohlenstoff (Coking) auf der Elektrodenoberfläche führen kann. Solche Ablagerungen können die katalytische Aktivität der Elektrode beeinträchtigen oder sogar irreversible mechanische Schäden verursachen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, untersucht die Gruppe von Alexander Opitz im Rahmen von MECS gemischtleitende Oxide (z. B. ceroxid- oder perowskitbasierte Materialien). Ziel ist es, durch gezielte Dotierungsstrategien die CO-Selektivität der Materialien zu verbessern und gleichzeitig die Neigung zur Kohlenstoffbildung zu minimieren. Dabei kommen eine Vielzahl elektrochemischer und oberflächenanalytischer Methoden wie NAP-XPS, AES und IR-Spektroskopie zum Einsatz, um ein detailliertes Verständnis der Punktdefekte, Reaktionsintermediate (z. B. Carbonate) und ihrer Wechselwirkungen zu gewinnen.

b) Hydrogenierungsreaktionen in protonenleitenden Festoxidzellen

Ein weiterer Fokus liegt auf der Hydrogenierung von Molekülen wie CO₂, CO oder N₂ auf gemischtleitenden Elektrodenmaterialien, die sowohl Protonen- als auch Elektronenleitung bieten. Durch kathodische Polarisation bei moderaten Temperaturen von 200–500 °C, können sehr hohe effektive Wasserstoffdrücke erreicht werden (im Material realisiert durch hohe chemische Potentiale von H⁺ und e^–). Dies stellt eine hohe thermodynamische Triebkraft für die gewünschten Hydrogenierungen dar. Um diese Treibkraft auch tatsächlich für die entsprechenden gewünschten Reaktionen (wie bspw. die Synthese von Ammoniak aus N₂) nutzbar machen zu können, werden Katalysatoren benötigt, die im Zusammenspiel mit der mischleitenden Elektrode entsprechende Aktivität bieten können. Für die Untersuchung potentieller Katalysator-Kandidaten bietet der Cluster MECS das ideale Umfeld.

c) Perowskit-basierte Modell-(Elektro-)Katalysatoren

Ein dritter thematischer Zweig der Gruppe im Rahmen des MECS-Clusters befasst sich mit gemischt leitenden Perowskiten, die als wohldefinierte Dünnschichten die Basis für Modelluntersuchungen bilden. Dabei geht es zum einen um sogenannte Exsolution Katalysatoren. Bei diesen handelt es sich um katalytisch aktive Übergangsmetall-Nanopartikel, die durch gezielte starke Reduktion und damit einhergehende partielle Zersetzung des Perowskits aus diesem ausgeschieden werden. Die Gruppe von Alexander Opitz geht dabei den Weg diese Reduktion durch kathodische Polarisation zu erreichen, was zusätzlich die Möglichkeit eröffnet durch Ändern der angelegten elektrochemischen Polarisation den Oxidationszustand der Partikel zu beeinflussen. Damit lässt sich die katalytische Aktivität der Partikel elektrochemisch schalten. Ein grundlegendes Verständnis der an diesem Schaltvorgang beteiligten elementaren physikalischen Phänomene zu erlangen ist dabei die Haupttriebkraft hinter unseren Untersuchungen.

Ein sehr junges Thema das die Gruppe auf modellartigen Perowskitdünnschichten verfolgt, ist die Untersuchung von Punktdefekten an freistehenden Membranen. Hier bietet die Zusammenarbeit mit anderen Gruppen im CoE MECS ungeahnte Möglichkeiten, um direkte Einblicke in die Defektchemie von Mischleitern zu erlangen.

Ein sehr attraktive Form der Elektrolyse beruht auf Festoxidelektrolysezellen (SOECs), die sowohl Wasserdampf als auch CO₂ elektrolysieren, d.h. in H₂ bzw. CO und O₂ spalten können. Neben hohen Wirkungsgraden sind u.a. die Vermeidung von sehr kritischen Materialien (Ir, Pt, Co, u.a.), die Nutzung unkritischer Elektrolyte (ZrO₂-basiert) und die Möglichkeit zu Kraft-Wärme-Koppelung von Vorteil. Allerdings ist die Langzeitstabilität noch optimierungsbedürftig und hierbei sind sowohl Prozesse an Anoden als auch an Kathoden involviert. Darüber hinaus soll der Wirkungsgrad weiter erhöht werden, indem die Überspannungen der elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden verringert werden.

Im Rahmen des Clusters werden umfangreiche Forschungen besonders an Modellelektroden durchgeführt, um einerseits Degradationsmechanismen aufzuklären (z.B. mechanische Schäden durch hohe Sauerstoffdrücke bei anodischen Reaktionen) und kinetisch langsame Prozesse zu identifizieren, anderseits aber auch kinetisch optimierte Elektroden z.B. durch Oberflächenmodifikationen mit anderen Oxiden zu erzeugen. Wichtig hierbei ist die Kombination von sehr kontrollierter Probenpräparation (z.B. durch gepulste Laserabscheidung), elektrochemische Messungen mit mechanistischer Auswertung und die Koppelung mit hochwertiger Analytik, u.a. mit XPS, AES, SIMS, XRD und TEM.

In methodisch sehr verwandten Aktivitäten soll in weiteren Arbeiten auch eine Brücke zu einer weiteren Art von Energiespeichern gebaut werden. Lithium-Ionenbatterien sind der wichtigste Typ wiederaufladbarer Batterien und für Kurzzeitspeicherung von elektrischer Energie im Stromnetz geeignet. Auch wenn Sauerstoffaustausch beim eigentlichen Batteriebetrieb nicht stattfinden sollte, kommt die Wechselwirkung mit O₂ an zwei Punkten zur Geltung: Bei unerwünschten Überladungen von Kathoden bzw. noch mehr beim einem „thermal runaway“, und während der Materialherstellung bei höheren Temperaturen. Die Parallelen (und Unterschiede) der Sauerstoffstöchiometrieänderung von Li-Ionen-Batterieelektroden und von Festoxidzellenelektroden sind noch weitgehend unerforscht und im Rahmen dieses Clusters soll hier eine Brücke zur Welt der Batterien für Netzspeicher geschaffen werden. Durch diese Kombination der verschiedenen Zugänge von zwei Forschungscommunities sollen damit auch Beiträge zur Verbesserung der Eigenschaften und der Sicherheit von Batterien geleistet werden.