Blockveranstaltung: Elektrochemische Prozesse und Wasserstoff-Technologie

      Vorlesung

      Diese Veranstaltung richtet sich an Studierende der Elektrotechnik und Materialwissenschaften. Sie ist eine kombinierte Veranstaltung aus einer Vorlesung und Praktischen Versuchen aus der Elektrochemie und findet in einem einwöchigen Blockkurs Ende September/Anfang Oktober statt, wobei sich die Vorlesungen und die praktischen Versuche jeweils abwechseln (Vormittags Vorlesung und Nachmittags Praktikum).

      Praktikum

      Das angegeliederte Praktikum bietet Ihnen die Möglichkeit, in der Vorlesung gelernte Zusammenhänge und Methoden der Elektrochemie nachzuvollziehen und zu vertiefen sowie auf Fragestellungen der Wasserstofftechnologie anzuwenden.

      Mündliche Prüfung

      Informationen über die mündliche Prüfung erhalten Sie über Aktuelles.

      Inhalt der Vorlesung und Übung

      Einführung und Grundlagen:

        Aufbau elektrochemischer Zellen; Flüssigphasenzellen und Festkörperzellen; anwendungsspezifische Grundtypen und prinzipielle Aspekte des Zelldesigns für Anwendungen in der Informationstechnik (nichtflüchtige Speicher), der Energietechnik (Batterien und Brennstoffzellen) und Sensorik

      Elektroden im stromlosen Zustand:

        Elektrochemische Doppelschicht (Helmholtz-Schicht, Guoy-Chapman-Schicht); Raumladungszonen; spezifische Adsorption; Nullladungspotential; Impedanzspektroskopische Analyse; Bildung der EMK einer Zelle.

      Elementarprozesse 1 – Elektronentransfer:

        Elektronentransfer bei Redox-Vorgängen an elektrochemischen Elektroden; Analyse auf der Basis der Butler-Volmer-Gleichung; Klein- und Großsignalverhalten; Überpotential aufgrund des Elektronentransfers und die Auswirkungen auf praktische Anwendungen.

      Elementarprozesse 2 - Bildung von Diffusionsschichten durch Massetransport:

        Diffusionsüberpotential und seine Bedeutung in Energiespeichersystemen; Analyse der Diffusionsvorgänge in Flüssigphasenzellen mittels rotierender Scheibenelektrode; Nutzung der Diffusion in praktischen Anwendungen.

      Elementarprozesse 3 – Phasenbildung:

        Keimbildung und Elektrokristallisation bei Metallisierungsvor-gängen; 2D- und 3D-Wachstum; Unterpotentialabscheidung; Gasphasenbildung; praktische Anwendung in Metallisierungszellen und Gaszellen (am Beispiel der Wasser-Elektrolyse).

      Wasserstoffelektrolyse und Wasserstoff-Technologie

        Wasserstoff-Synthese durch Elektrolyse; reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen im Niedertemperaturbereich (Polymer-Elektrolyt-Membran, PEM); Hochtemperatur-Elektrolyse; mobile und stationäre Wasserstoff-Brennstoffzellen; chemische Verfahren zur Wasserstoff-Synthese; Überblick über Szenarien der Wasserstoff-Wirtschaft.

      Methoden:

        Arbeitsweise eines Potentiostaten; zyklische Voltammetrie; Spannungs- und Stromsprungmethoden; Impedanzspektroskopie; Ausblick auf fortgeschrittene Methoden (Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie; in-situ Rastertunnelmikroskopie; in-situ Synchrotronmethoden)

      Anwendungen:

        Elektrodenprozesse in Batterien und Brennstoffzellen; Diffusionsbegrenzte Grenzströme in der Gassensorik; Ionenaustausch, spezifische Adsorption/Desorption und Redoxprozesse in der Spurenanalytik; Zellen zur Wasserstofferzeugung; Metallphasenbildung auf der Nanoskala für nichtflüchtige, ultradichte Speicher und neuronale Netze in Logikschaltungen.