Onderzoek Rituraj Borah

Abstract

Conventionele elektrolysecellen voor de productie van groene waterstof bevatten membranen of andere scheidingen die bijdragen aan de algehele complexiteit, kost en onderhoud van dergelijke systemen. Daarnaast vereisen ze een hoge zuiverheid van het water, terwijl zoet water een schaars goed wordt/is. Als oplossing stel ik een alternatief reactorontwerp voor dat eenvoudiger, robuuster en kosteneffectiever is. In dit project zal ik met name een membraanloze foto-elektrolysereactor bestuderen die waterstofgas produceert uit (zee)water, zonlicht en/of hernieuwbare elektriciteitsbronnen. Dit nieuwe celontwerp is gebaseerd op scheiding van het waterstof- en zuurstofgas dat van de foto-elektroden vrijkomt, door het uitbuiten van de aanwezige vloeistofstroming. Dit concept is onlangs gepatenteerd door de aanvrager. De eerste vorderingen zullen worden gemaakt op het niveau van de foto-elektroden, door nanostructurering van het oppervlak toe te passen om de grootte van de gasbellen te verkleinen, wat op zijn beurt de gasscheiding en productzuiverheid zal bevorderen (vastgesteld op 99,5%). Ten tweede zullen voor efficiënte foto-elektrolyse nieuwe optische versterkingsmechanismen worden bestudeerd om de zonne-naar-waterstofefficiëntie richting de 10% doelwaarde te stuwen. Ten slotte, om de robuustheid van het celontwerp verder te benutten, is het de bedoeling om de celwerking voor zowel elektrolyse als foto-elektrolyse van zeewater te demonstreren, door de procesparameters te begrijpen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Verbruggen Sammy
• Co-promotor: De Wael Karolien
• Mandaathouder: Borah Rituraj

Onderzoeksgroep(en)

• Antwerp engineering, PhotoElectroChemistry & Sensing (A-PECS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De conventionele elektrolysetechnologieën voor de productie van waterstof zijn gebaseerd op een membraan of scheidingswand die de H2- en O2-gassen die uit de elektroden komen gescheiden houdt, terwijl de ionenstromen kunnen stromen. Vanwege de complexiteit en hoge kosten van deze systemen is een alternatief elektrolyse-ontwerp dat eenvoudiger en goedkoper is, een technologische behoefte van dit moment. Ook voor foto-elektrolyzers (of foto-elektrochemische cellen) om H2 te produceren uit water onder zonlicht, is een eenvoudig membraanloos ontwerp erg belangrijk voor opschaling naar grote schaal. Bovendien kan een membraanloos celontwerp in veel elektrolytische processen zoals chlooralkali, glyceroloxidatie, enz. de bestaande uitdagingen met membraanfalen, onderhoudsproblemen enzovoort aanzienlijk verbeteren. Met het oog op deze uitdagingen en de kansen voor technologische/wetenschappelijke vooruitgang, beoogt het huidige project de ontwikkeling van een membraanloze (foto)elektrolysecel die belooft de bestaande problemen op te lossen. Dit voorstel is gebaseerd op de initiële validatie van het werkingsprincipe van deze nieuwe ontwerpen door CFD-simulaties, vloeistofstroming en elektrochemische experimenten. Deze eerste bevindingen resulteerden ook in een octrooiaanvraag (Borah et al., octrooiaanvraagnummer: EP22177270.0). Het doel van dit project is de verdere ontwikkeling van dit celontwerp voor elektrolyse, foto-elektrolyse (onbevooroordeeld) en andere foto-elektrochemische processen. Zo zal de voltooiing van de experimentele opstelling waar het budget voor is bedoeld, het onderzoek mogelijk maken van niet alleen (foto)elektrochemische watersplitsing, maar ook zeewatersplitsing, chloor-alkali en glyceroloxidatie. Het project vormt een aanvulling op de expertise van de aanvrager op het gebied van de fabricage van zelf-geassembleerde films met nanostructuur die nuttig zullen zijn voor de ontwikkeling van elektroden/foto-elektroden. Zowel het ontwerp van de (foto)elektrolysecel als de ontwikkeling van de foto-elektrode worden ook ondersteund door de expertise van de aanvrager op het gebied van computationele vloeistofdynamica en computationele elektromagnetische modellering. Dit project stelt de aanvrager in staat om een ​​nieuwe onderzoekslijn te creëren op basis van een membraanloze (foto)elektrochemische cel (of (foto)elektrolyser) om belangrijke foto-elektrochemische processen, waaronder waterelektrolyse, te onderzoeken. De aanvrager creëert nieuwe kansen om impactvol onderzoek te doen en nieuwe onderwerpen te verkennen, voortbouwend op zijn bestaande expertise.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Borah Rituraj

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Functionele nanostructuren zijn een van de meest veelbelovende materialen voor de sanering van de huidige milieu-/humanitaire problemen van de wereld. Functionele nanostructuren of nanodeeltjes zijn in feite de kleinste eenheden die een specifieke functionaliteit hebben volgens de beoogde toepassing. Voor de toepassing van dergelijke nanodeeltjes op grote schaal is het ook belangrijk om ze te ordenen van nanoschaal tot macroschaal. Zelfassemblage is een veelbelovende strategie om nanodeeltjes te assembleren om films, clusters of bulkmaterialen te vormen met volgorde op nanoschaal. Dit project heeft tot doel een goedkope technologie te bieden voor de fabricage van zelf-geassembleerde films (of zelfs bulkmaterialen) voor energie/sensing/medische toepassingen, afhankelijk van de functionaliteit van de nanodeeltjes. Deze nieuwe technologie is een vooruitgang ten opzichte van de reeds bestaande technologie, maar met enkele innovatieve wendingen die de kosten aanzienlijk verlagen. Met deze voorgestelde opstelling kan men tegen veel lagere kosten zelf-geassembleerde films van nanodeeltjes verkrijgen in vergelijking met de bestaande commerciële opstellingen voor toepassingen zoals lucht-/waterzuiveringsreactoren, zonnecellen, detectieplatforms, enz.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Borah Rituraj

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Roet, een essentieel bestanddeel van fijnstof, wordt verantwoordelijk geacht voor een verdrievoudiging van het aantal vroegtijdige overlijdens tegen 2060. Daarom wordt in dit fundamenteel project de ontwikkeling van een efficiënte fotokatalysator bestudeerd voor roetafbraak, met (zon)licht als enige energie-input. Fotokatalytische oxidatie wordt meestal uitgevoerd met TiO2 als lichtgevoelig materiaal. Het grote nadeel van TiO2 is de grote bandkloof van deze halfgeleider, die binnen het zonnespectrum enkel overbrugd kan worden door de energie-inhoud van UV-licht. Om de activiteit uit te breiden naar het zichtbaar licht, kan het katalysatoroppervlak gemodificeerd worden met edelmetaal nanopartikels die sterke optische lokale plasmonresonantie-effecten vertonen. In dit project worden stabiele bimetallische nanopartikels van goud en zilver gesynthetiseerd. Door beide metalen met elkaar te combineren, kunnen hun individuele tekortkomingen vermeden worden, en kunnen bovendien de plasmonische eigenschappen makkelijk gestuurd worden over een breed golflengtegebied. Deze bimetallische nanopartikels zullen als een geordende structuur georganiseerd worden, en vervolgens worden gekarakteriseerd van bulk- tot nanoschaal. Een deel hiervan in samenwerking met het Institute for Catalysis van Hokkaido University, Japan. Het effect van plasmonen op het mechanisme van fotokatalytische roetafbraak wordt op een fundamenteel niveau bestudeerd via in-situ FTIR spectroscopie. Daarnaast worden meer grootschalige demonstratie-experimenten opgezet om ook aan het brede publiek de relevantie van dit onderzoek te kunnen demonstreren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Verbruggen Sammy
• Mandaathouder: Borah Rituraj

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject