Onderzoeksgroep
Expertise
Mijn onderzoek richt zich op het bevorderen van elektrokatalytische strategieën voor de synthese van chemische energiedragers en producten met toegevoegde waarde die verder gaan dan H2-productie of CO2-reductie. Specifieke aspecten zijn het ontwerp, de implementatie en het mechanistisch onderzoek van op maat gemaakte moleculaire en materiaalgebaseerde elektrokatalysatoren, met name gericht op groep 9 en eerste-rij overgangsmetaalcomplexen, metaal-organische kaders en nanodeeltjes. Deze katalysatoren worden ontwikkeld voor atomaireconomische en energie-efficiënte elektrokatalytische hydrogenering van verschillende organische verbindingen, waaronder carbonyls, nitriles, onverzadigde koolwaterstoffen en aromaten, evenals bio-feedstock valorisatie, anodische elektro-epoxidaties, C-H oxidaties en stikstofactivering. Bij ELCAT onderzoek ik een combinatie van proces- en katalysatorontwikkeling met geavanceerde procesengineering in flowelektrolyzers om oplossingen te bieden die traditionele benaderingen, waarbij men zich uitsluitend richt op chemische ontwikkelingen of reactortechniek, niet kunnen bereiken. In-situ en ex-situ spectro-elektrochemische analyse (UV/Vis, EPR, NMR, Raman spectroscopie) begeleiden deze ontwikkelingen door middel van mechanistisch begrip, en helpen bij het beoordelen van actieve katalysatorsoorten tijdens operationele scenario's, evenals dynamische bereiken van productdistributies en tussenproducten in onze processen. Tot de beoogde toepassingen van mijn onderzoek behoren de ontwikkeling van volledig geëlektrificeerde vloeibare organische waterstofdragersystemen (LOHC) voor omkeerbare energieopslag en -levering, gekoppelde elektrolyseopstellingen voor co-generatie van anodische producten met toegevoegde waarde in plaats van OER voor de waterstofeconomie en geëlektrificeerde productie van stikstofmeststoffen met een minimale CO2-voetafdruk door middel van innovatieve processen.
Elektro-organische synthese van energiedragers en producten met toegevoegde waarde.
Abstract
Dit onderzoeksproject beschouwt H2O en elektriciteit als reagentia voor elektro-organische synthese, waarbij verder wordt gekeken dan de eenvoudige H2- of O2-evolutie. Elektrokatalysatorontwerp en mechanistische studies staan centraal om waterstofgasvrije elektrohydrogenering met H2O in één stap mogelijk te maken. Als tweede projectpijler worden anodische elektrozuurstof-atoom transfer reacties (e-OAT) ontwikkeld als vervanging voor de zuurstof evolutie reactie (OER) in traditionele watersplitsing, zodat anodische producten met toegevoegde waarde de economische H2-productie aan de kathode in gekoppelde elektrolyse kunnen ondersteunen. In projectpijler 1 elimineert de directe elektrohydrogenering met H2O in één stap het uitdagende transport en het werken met explosief H2. Door de intrinsieke koppeling van afvalwarmte is het ook thermodynamisch gunstiger dan bestaande Power-to-X-processen in twee stappen waarbij eerst H2 vrijkomt dat vervolgens wordt verbruikt in een opeenvolgende chemische hydrogeneringsreactie. Het mikpunt van projectpijler 1 is de e-hydrogenatie voor omkeerbare energieopslag in vloeibare organische waterstofdragers (LOHC's), biomassavalorisatie en, in de context van de circulaire economie om aminen en alcoholen terug te winnen, de e-hydrogenatie van polyamiden en polyurethanen. Binnen deze projectpijler worden twee verschillende strategieën toegepast: ten eerste worden bekende transfer-hydrogeneringskatalysatoren (bv. Ir, Co en Mo tangcomplexen) die isopropanol of mierenzuur gebruiken als H-donor, aangepast om te werken als elektrokatalysatoren die H2O gebruiken als duurzame H-donor. Ten tweede zullen porfyrine CO2-reductie elektrokatalysatoren (moleculen en materialen) gederivatiseerd worden om organische substraten om te zetten met behulp van de selectieve hydrogenering van C=O bindingen ten opzichte van C=C bindingen. Modelsubstraten zijn onder andere alkenen, het aceton/isopropanol LOHC-systeem, het biogrondstofmodel 5-HMF en kaneelaldehyde voor chemo-selectiviteitsstudies. In projectpijler 2 worden elektrozuurstof-atoom transfer reacties (e-OAT)-reacties ontwikkeld, waarbij het O-atoom van water gebruikt wordt voor het genereren van producten met toegevoegde waarde (C=C epoxidatie & C-H oxidatie) aan de anode simultaan met de kathodische H2-productie. In tegenstelling tot standaard de OER verdeelt dit de proceskosten over twee producten (bijv. H2 en epoxide), waardoor de prijs voor groene H2 drastisch zal dalen. Dit wordt bereikt met cytochroom P450-nabootsende porfyrinekatalysatoren die reactieve metaal-oxo-species genereren door de elektro-oxidatie in water. Bovendien wordt de parasitaire OER onderdrukt door het ontwerp van de katalysator, het afstemmen van de reactieomstandigheden en mechanistische overwegingen. Als toekomstperspectief zullen de precieze reactieve sites in MOF-gebaseerde porfyrine en polymeer-gecoate elektroden benut worden voor het afstemmen van de secundaire coördinatiesfeer in materialen. Dit project is uniek door de combinatie van katalysator-, reactie- en procesontwerp dat in industrieel relevante elektrochemische reactoren geëvalueerd zal worden om oplossingen te bieden die traditionele benaderingen van uitsluitend chemische ontwikkelingen of reactortechniek niet kunnen bereiken. Methodisch wordt dit werk gedreven door moleculair en materieel katalysatorontwerp, waarbij gebruik wordt gemaakt van mechanistische inzichten in reacties om de belangrijkste stappen af te stemmen die de energie-efficiëntie en reactieselectiviteit bepalen, met name om de gekende nevenreacties (HER & OER) te onderdrukken. Spectro-elektrochemie (UV/Vis, Raman, EPR, NMR en GI-PXRD) en stoichiometrische elektrosynthese van actieve stoffen helpen deze mechanismen op te helderen. Tot slot wordt de reactieoptimalisatie ondersteund door design of experiment (DoE) en het vinden van kruisverbanden van experimentele parameters en ideale omstandigheden met mathematische procesmodellen.Onderzoeker(s)
- Promotor: Halter Dominik
- Mandaathouder: Halter Dominik
Onderzoeksgroep(en)
Project type(s)
- Onderzoeksproject