NAPPA

NAPPA – Nanolegierungen aus Metallpulvern hergestellt im Mikrowellenplasma für die AEM-Elektrolyse

Innovationswettbewerb Industrie.in.NRW

Förderkennzeichen IN-WP-3-034a

Status & Laufzeit

Bewilligt 01.11.2025 bis 31.10.2028

beteilgte Partner:

• Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V. (IUTA), Duisburg
• Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich
• xemx materials space exploration GmbH, Bochum
• Kamp & Kötter GmbH, Bochum

Zusammenfassung

Die Anionenaustauschmembranelektrolyse (AEMEL) stellt eine Schlüsseltechnologie für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft dar, denn obwohl sie sich noch im Labormaßstab befindet, vereint sie potenziell die Vorteile konkurrierender Elektrolyseverfahren.
Eine der größten Herausforderungen ist jedoch nach wie vor die Entwicklung von alternativen Katalysatormaterialien, da in vielen Fällen die gleichzeitigen Anforderungen an Aktivität und Stabilität nicht erfüllt werden können. Multinäre Legierungen sind in diesem Bereich eine relativ neue Materialklasse von wachsendem Interesse.
Dieses Vorhaben zielt mittels der Entwicklung innovativer Katalysatormaterialien darauf ab, die AEMEL als kostengünstige und skalierbare Technologie für die grüne Wasserstoffproduktion zu etablieren. Wesentlicher Bestandteil ist die enge Zusammenarbeit von Forschungspartnern und Unternehmen, die entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette agieren.
Diese umfasst KI-gestützte Hochdurchsatz-Experimente, die ein schnelles Materialscreening zur Bestimmung geeigneter multinärer Legierungen als Katalysatormaterialien ermöglichen. Für die kosteneffiziente, skalierbare Synthese der vielversprechendsten Legierungen werden pulverförmige Ausgangsstoffe über ein Fördersystem in einen Mikrowellenplasmareaktor eingedüst. Die hergestellten Nanolegierungen werden zu Katalysatortinten verarbeitet, auf Substrate/Membrane aufgetragen und mittels katalytischer Charakterisierung bewertet.

NAPPA wird seitens des IUTA in der Abteilung Partikelprozesstechnik & Charakterisierung durchgeführt und koordiniert.

Die Herstellung der Nanolegierungspartikel erfolgt in der Mikrowellenplasma-Syntheseanlage des IUTA. Zunächst steht die Identifikation der Plasmaparameter zur vollständige Zersetzung der Ausgangsstoffe und den homogenen Einbau aller Legierungsbestandteile im Vordergrund. Die Prozessparameter eines Nanomessing-Vorversuchs dienen dazu als Ausgangspunkt. Mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) -Aufnahmen wird der Anteil Mikro-zu-Nanopartikel und damit der Umsetzungsgrad abgeschätzt. Eine qualitative Einbaukontrolle der einzelnen Elemente erfolgt über energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)- und Röntgenbeugung (XRD)-Analyse. Sobald der Einbau aller Elemente in die Legierungspartikel gewährleistet ist, wird auf die Optimierung der Prozessparameter fokussiert, um gezielt die Partikelgröße und -struktur einzustellen. Zu den möglichen variablen Parametern zählen die Düsenposition, die Volumenströme der Prozessgase und der Reaktordruck, die simultan die Verweilzeit der Partikel im Plasma beeinflussen. Beurteilt werden die Nanolegierungen mittels REM-Aufnahmen und der Messung der spezifischen Oberfläche (BET-Analyse).

Zur präzisen Prozesskontrolle werden diese vorangegangenen Schritte initial bei einer reduzierten Produktionsrate von 1–3 g/min durchgeführt. Anschließend wird die Übertragbarkeit der optimierten Parameter auf eine erhöhte Produktionsrate (≥ 10 g/min) evaluiert, um die industrielle Skalierbarkeit des Prozesses sicherzustellen und ausreichend Material für die nächsten Prozessschritte herzustellen. Das Vorgehen zur Herstellung weiterer Nanolegierungen erfolgt analog zu dem oben beschriebenen Verfahren.

Förderhinweis

Das Projekt »NAPPA – Nanolegierungen aus Metallpulvern hergestellt im Mikrowellenplasma für die AEM-Elektrolyse « wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des EFRE/JTF-Programms NRW 2021 – 2027 gefördert. Förderkennzeichen: EFRE-20801364