Wettability and reaction visualization of electrochemical CO₂ reduction at gas diffusion electrodes

Brosch, Sebastian; Karan, Kunal; Wessling, Matthias

doi:45058

Wettability and reaction visualization of electrochemical CO₂ reduction at gas diffusion electrodes = Benetzbarkeit und Reaktionsvisualisierung der elektrochemischen CO₂-Reduktion mit Gasdiffusionselektroden

Brosch, Sebastian^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Brosch

ImpressumAachen : Aachener Verfahrenstechnik 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Verfahrenstechnik series. AVT.CVT - chemical process engineering ; 62

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Karan, Kunal (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01499
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028159/files/1028159.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CLSM (frei) ; FLIM (frei) ; ecCO2RR (frei) ; microfluidics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Poröse Medien spielen eine wichtige Rolle bei Prozessen wie Katalyse, Membranfiltration, Oberflächenbeschichtungen oder Ölgewinnung. Insbesondere im Bereich der Katalyse haben elektrochemische Verfahren in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Die Entwicklung von Gasdiffusionselektroden (GDEs) ermöglichte eine effiziente elektrochemische Umwandlung von gasförmigen Rohstoffen wie CO2. In der GDE treten eine feste, eine flüssige und eine gasförmige Phase in Kontakt. Um die Langzeitstabilität und die großtechnische Kommerzialisierung von gasgespeisten Elektrolyseuren zu ermöglichen, ist ein grundlegendes Verständnis der Prozesse in den Poren der GDE entscheidend. Bei der elektrochemischen CO2-Reduktion (ecCO2RR) ist immer noch unklar, wo genau in der Katalysatorschicht (KS) die Reaktion abläuft. Es wird vermutet, dass das CO2 hauptsächlich an der Dreiphasengrenze (DPG) reduziert wird, wo Katalysator, Elektrolyt und CO2 direkt aufeinandertreffen. Somit bestimmt die Benetzbarkeit der KS die Lage und Morphologie der DPG und beeinflusst die Effizienz des Prozesses. Auch Nebenreaktionen wie die Wasserstoffentwicklung werden von diesen Faktoren beeinflusst. Das Verständnis und die Kontrolle der Flüssigkeitsverteilung in der GDE ist daher von großer Bedeutung für die Selektivität der ecCO2RR. In dieser Arbeit werden die vermuteten Einflüsse von Reaktionsort und Benetzung untersucht. Abstrakte Modelle poröser Medien wurden verwendet, um die Benetzbarkeit auf Porenskala zu verstehen, und ein miniaturisierter Elektrolyseur mit Silber-Nafion basierter KS wurde entwickelt, um Elektrobenetzung und Verteilung von Reaktionsorten zu verstehen. Mikrofluidik erwies sich als leistungsfähiges Werkzeug zur in operando-Untersuchung der ecCO2RR. Das Verständnis des Benetzungsverhaltens hat gezeigt, dass unabhängig von der Triebkraft für Benetzung in allen Fällen ein ähnlicher stationärer Zustand erreicht wird. Es wurde gezeigt, wie wichtig ein effizienter Stofftransport an der Dreiphasengrenze und die Kontrolle des Elektrodenpotentials im Gegensatz zur Kontrolle der Flüssigkeitssättigung sind. Konfokalmikroskopie und Fluoreszenzlebenszeitmikroskopie wurden zur Messung von Elektrolytsättigung sowie lokaler pH-Werte und CO-Konzentrationen verwendet. Sättigungsänderungen, die durch Druck- und Spannungsänderungen verursacht werden, wurden mit einfachen Fluoreszenzfarbstoffen aufgezeichnet. Lokale pH-Änderungen wurden mithilfe von Fluoreszenzlebenszeitmessungen aufgenommen. Kohlenmonoxid wurde mit Hilfe eines Ligandenaustauschs an einem fluoreszierenden Komplex nachgewiesen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass der primäre Reaktionsort in ecCO2RR tatsächlich an der Dreiphasengrenze liegt, der aktive Bereich für die CO2-Reduktion jedoch viel größer ist als bisher angenommen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit ist ein maßgeschneidertes Design von GDEs möglich.

Porous media plays a significant role in processes like catalysis, membrane filtration, surface coatings or enhanced oil recovery. Particularly in the field of catalysis, electrochemical processes became increasingly important. The development of gas diffusion electrodes (GDEs) enabled efficient electrochemical conversion of gaseous feedstocks such as CO2 or the generation of hydrogen and oxygen gas from water electrolysis. Within the GDE, a solid, a liquid and a gaseous phase are in contact. To enable long-term stability and large-scale commercialization of gas-fed electrolyzers, a fundamental understanding of processes within the pores of the GDE is crucial. Particularly in electrochemical CO2 reduction (ecCO2RR), it is still unclear where exactly in the catalyst layer (CL) the reaction takes place. It is hypothesized, that the CO2 is mainly reduced at the triple-phase boundary (TPB) where catalyst, electrolyte and CO2 meet directly. The location and morphology of the TPB is defined by the wettability of the CL. Thus, the wettability of the CL has a direct influence on the efficiency and selectivity of the process. Therefore, understanding and controlling fluid distribution in the GDE is highly important to optimize the Faraday efficiency (FE) of the ecCO2RR. Abstract model porous media is used to understand wettability on the pore-scale and a realistic model electrolyzer with a silver-based GDE is developed to understand electrowetting and trace reaction locations. Microfluidics is a powerful tool to investigate the ecCO2RR in operando. The measurements showed, that regardless of the driving force for electrolyte imbibition, in all cases a similar steady state is reached. The importance of efficient mass transport at the triple-phase boundary and control of the electrode potential in contrast to control of liquid saturation was shown. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) and fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) were used to measure electrolyte saturation and trace local pH values and species concentrations. Changes in saturation caused by pressure and voltage were recorded using simple fluorescent dyes. Local changes in pH were detected with fluorescence lifetime monitoring. Carbon monoxide was detected with the help of a ligand exchange reaction, facilitating fluorescence of a transition metal complex. Overall, it could be shown that the primary reaction location in ecCO2RR is in fact at the TPB, however, the active area for CO2 reduction is far larger than previously assumed for GDEs. While the wetting state drastically influences the processes within the CL, it is not the only factor to consider. Both hydrogen evolution reaction (HER) and ecCO2RR occurred for all wetting states depending on the other process conditions such as cell potential and CO2 excess. With the results from this thesis, a tailor-made design of GDEs will be possible by an intricate understanding of the wetting and mass transport mechanisms prevalent during operation of the GDE.

OpenAccess:
PDF
(additional files)