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Investigating the electrowetting of silver-based gas-diffusion electrodes during oxygen reduction reac-tion with electrochemical and optical methods

Bienen, Fabian und Paulisch, Melanie und Mager, Thorben und Osiewacz, Jens und Nazari, Manigah und Markus, Osenberg und Barbara, Ellendorff und Turek, Thomas und Nieken, Ulrich und Manke, Ingo und Friedrich, Kaspar Andreas (2022) Investigating the electrowetting of silver-based gas-diffusion electrodes during oxygen reduction reac-tion with electrochemical and optical methods. Electrochemical Science Advances, 3 (1), e2100158. Wiley. doi: 10.1002/elsa.202100158. ISSN 2698-5977.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elsa.202100158

Kurzfassung

Porous gas-diffusion electrodes (GDEs) are widely used in electrochemical applications where a gaseous reactant is converted to a target product. Important applications for silver-based GDEs are the chlor-alkali and the CO2 electrolysis processes in which silver catalyzes the oxygen- or carbon dioxide reduction reaction. The wetting of the porous GDEs is of utmost importance for the achieved performance of the electrode: a completely dry electrode will result in low current densities due to the reduced active surface area while on the other hand, a completely flooded electrode will deteriorate the access of the gaseous reactant. Therefore, we investigated silver-based GDEs for the oxygen reduction reaction with different amounts of the hydrophobic agent polytetrafluoroethylene (PTFE) and analyzed the potential-induced wetting behavior (electrowetting). The electrolyte breakthrough was recorded by a digital microscope and subsequently evaluated via imaging analysis of the observed breached electrolyte droplets. In order to characterize the wetting state during transition to the steady-state, we applied electrochemical impedance spectroscopy measurements and retrieved the double-layer capacitance. Our results indicate that a higher overvoltage facilitates the breakthrough of electrolytes through the gas-diffusion electrode. Surprisingly, a faster breakthrough of electrolyte was observed for electrodes with higher PTFE content. Porometry measurements revealed that the GDE with low PTFE content has a monomodal pore size distribution, whereas electrodes with higher PTFE amount exhibit a bimodal pore size distribution. In GDEs with monomodal pore size distribution the time in which the double layer capacitance is leveling off correlates with the breakthrough time of the electrolyte. In summary, we emphasize that the wetting of GDEs is a complex interplay of the applied potential, electrode composition, and resulting porous structure which requires further advanced measurements and analysis considering the parameters affecting the wetting behavior as a whole.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/201578/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Investigating the electrowetting of silver-based gas-diffusion electrodes during oxygen reduction reac-tion with electrochemical and optical methods
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Bienen, FabianFabian.Bienen (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Paulisch, MelanieInstitute of Applied Materials, Helmholtz-Zentrum Berlin, Berlin, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mager, ThorbenInstitute of Chemical Process Engineering, University of Stuttgart, Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Osiewacz, JensInstitute of Chemical and Electrochemical Process Engineering, Clausthal University of Technology, Clausthal-Zellerfeld, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nazari, ManigahDepartment Electrochemical Energy Technology, Institute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center, Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Markus, OsenbergInstitute of Materials Science and Technology, Technical University Berlin, Berlin, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Barbara, Ellendorff5Institute of Chemical and Electrochemical Process Engineering, Clausthal University of Technology, Clausthal-Zellerfeld, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Turek, Thomasturek (at) icvt.tu-clausthal.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nieken, UlrichInstitute of Chemical Process Engineering, University of Stuttgart, Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Manke, IngoInstitute of Applied Materials, Helmholtz-Zentrum Berlin, Berlin, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, Kaspar AndreasAndreas.Friedrich (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:31 März 2022
Erschienen in:Electrochemical Science Advances
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:3
DOI:10.1002/elsa.202100158
Seitenbereich:e2100158
Verlag:Wiley
ISSN:2698-5977
Status:veröffentlicht
Stichwörter:gas diffusion electrodes, analysis, wetting
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HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Friedrich, Prof.Dr. Kaspar Andreas
Hinterlegt am:21 Dez 2023 13:16
Letzte Änderung:29 Jan 2024 11:32

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