Onderzoek Tom Breugelmans

Abstract

Katalyse is een belangrijke interdisciplinaire technologie in de chemische industrie, en zeker één van de wetenschappelijke disciplines met de grootste maatschappelijke impact. De onderzoeksmissie van het CASCH-consortium is om bij te dragen aan duurzame ontwikkeling door het aanpakken van de uitdagingen van het verminderen van de CO2-uitstoot, het overwinnen van de afhankelijkheid van fossiele koolstofgrondstoffen en de schaarste van natuurlijke hulpbronnen door de ontwikkeling van nieuwe katalytische methoden. Het consortium bezit een multidisciplinaire expertise om katalyse voor uitdagende transformaties te ontwerpen en te begrijpen en heeft als doel een duurzamere organische chemie te ontwikkelen, voornamelijk van niet-reactieve functionele groepen. Als grondstoffen voor het maken van organische moleculen zullen hernieuwbare bouwstenen een aandachtsgebied zijn, maar ook petrochemicaliën zullen worden bestudeerd. Complementaire expertise voor de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren (synthese en karakterisering) wordt samengebracht met knowhow op het gebied van organische synthese in één Excellentiecentrum. De nadruk zal liggen op de vervanging of minimalisering van het gebruik van kritische grondstoffen door het vervangen van edele metalen door abundante overgangsmetalen als actieve katalytische elementen. De te onderzoeken types katalyse omvat de twee hoofdklassen, namelijk heterogene en homogene katalyse. Naast thermische katalyse worden ook recent opkomende activatietechnieken zoals fotokatalyse en elektrokatalyse bestudeerd. Fotoredox en elektrokatalyse zijn in de organische chemie op de voorgrond gekomen als een heropleving van de radicale chemie, waarbij hernieuwbare energie volledig wordt benut voor de activering van kleine moleculen. Innovatieve heterogene fotokatalysatoren hebben het voordeel dat ze gemakkelijk recycleerbaar zijn en daardoor een continue productie mogelijk maken, wat de doorgaans gebruikte homogene katalysatoren niet (gemakkelijk) toelaten. Elektrosynthese is een ultieme methode voor het uitvoeren van redoxchemie: voor oxidatie en reductie zijn geen extra reagentia nodig, alleen elektronen, waardoor het gegenereerde afval aanzienlijk wordt verminderd. Elektrokatalytische reacties vereisen nieuwe elektrodematerialen voor zowel directe als indirecte (via mediatoren) elektrochemische routes die door het consortium worden ontwikkeld. Een bijzonder aandachtsgebied is de ontwikkeling van een nieuw type heterogene katalysatoren, namelijk single-atom-katalysatoren (SAC's), die de voordelen van heterogene (recycleerbaarheid, robuustheid, kost, activiteit en productiviteit) en homogene katalyse (productveelzijdigheid, afstembaarheid van de geometrie en elektronische eigenschappen van het actieve metaal, complexiteit van de reactanten) combineren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Maes Bert
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Cambré Sofie
• Co-promotor: Cool Pegie
• Co-promotor: Herrebout Wouter
• Co-promotor: Van Doorslaer Sabine

Onderzoeksgroep(en)

• Organische synthese (ORSY)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De Europese Klimaatwet verplicht de lidstaten om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en klimaatneutraal te zijn tegen 2050. Om deze doelstelling te behalen wordt de elektrochemische reductie van CO2 (eCO2R) beschouwt als een pivotale strategie vanwege de simultane verlaging van de koolstofniveaus en de mogelijkheid om zelf te worden ingezet als grondstof in de productie van duurzame chemicaliën. Momenteel ligt de nadruk sterk op de ontwikkeling van "zero-gap" electrolysers die gebruik maken van gasvormig CO2 vanwege de lage oplosbaarheid van CO2 in waterige elektrolyten waarbij massatransportlimitaties optreden. De gekozen materialen om het massatransport van reagentia en producten in en uit de cel te faciliteren zijn momenteel gebaseerd op brandstofcellen, wat leidt tot ongunstige productzuiverheden en systeemrendementen. In dit voorstel wordt een volledig nieuw bottom-up ontwerp voorgesteld om een geïntegreerde structuur van de belangrijkste componenten te verkrijgen voor het meervoudig fasetransport. Drie WPs zijn ontworpen om het massatransport en de functionaliteit van zowel de bipolaire plaat als de poreuze transportlaag te doorgronden en controleren a.d.h.v. correlaties tussen de structuur en bijhorende prestaties m.b.v. hoogwaardige elektrochemische en fysicochemische karakterisatietechnieken. Met deze aanpak zal de fundamentele werking en verstaan van eCO2R-reactoren kunnen worden blootgelegd om zo de efficiëntie alsook de levensduur te bevorderen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: De Preter Clem

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

In de loop der jaren heeft de ELCAT-onderzoeksgroep haar uitgebreide kennis op het gebied van elektrochemie uitgebreid met het ontwerpproces en de in-house productie van op maat gemaakte elektrochemische reactoren en perifere systemen. In het bijzonder zijn wij gespecialiseerd in vloeistof-vloeistof stromingsreactoren, redox flowbatterijen en gas-vloeistof reactorsystemen in flow-by, flow-through of zero gap configuraties om bijvoorbeeld de reductie van CO2- of H2-evolutie mogelijk te maken. Deze expertise heeft geleid tot meerdere projectsamenwerkingen met een focus op het ontwerpen van state-of-the-art reactoren. Met ons IOF-voorstel voor ENCORE willen we gebruik maken van de expertise van de ELCAT-onderzoeksgroep op het gebied van elektrochemische reactortechniek. (i) In de eerste plaats door de lancering van een gestandaardiseerde lijn van elektrochemische reactoren om te concurreren met bedrijven die kant-en-klare armaturen aanbieden. (ii) Ten tweede heeft ENCORE tot doel de bestaande marktkloof te overbruggen tussen genoemde bedrijven, die kant-en-klare gestandaardiseerde opstellingen aanbieden, en ingenieursbureaus, die uitsluitend op TRL 8 en 9 werken. Via het ENCORE-platform willen we onze knowhow en productietechnologieën commercialiseren door op maat gemaakte reactoren op laboratoriumschaal aan te bieden om tegemoet te komen aan de specifieke behoeften van academische en industriële partijen in R&D. Wij bieden een hoge mate van aanpasbaarheid in onze (reactor)producten die zijn afgestemd op de eisen van potentiële klanten en adviseren hen als zodanig bij het ontwerp op basis van onze expertise en voeren het fabricageproces uit. (iii) In synergie zullen onze geavanceerde productietechnieken ook beschikbaar worden gesteld als op zichzelf staande diensten, d.w.z. de derde pijler van ENCORE. Deze omvatten in het bijzonder: een hoge resolutie metaal en polymeer 3D-printen, CNC-frezen, katalysatorafzettingstechnologie en een femtoseconde laserablatie. ENCORE is ingebed in een groter, overkoepelend initiatief van het "Electrification Institute". Dit centrum, gevestigd in BlueApp, is voortgekomen uit een samenwerking tussen onderzoeksgroepen PLASMANT, ElectrifHy en ELCAT. Het ENCORE-platform zal een belangrijke pijler vormen in dit initiatief en specifiek gericht zijn op het verhogen van de 4e geldstroominkomsten van dit instituut, dat zich toelegt op het verleggen van de grenzen van reactortechnologie en tegelijkertijd waarde creëert voor onze klanten en bijdraagt aan de ontwikkeling van intellectuele activa. In dit plan zien we de reactoren en de bijbehorende IP – zoals octrooien, bedrijfsgeheimen en modelrechten – als de waardecreërende assets.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Schalck Jonathan

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Om een verregaande klimaatverandering tegen te gaan, zijn de Europese landen gebonden door de Europese Klimaatwet om hun broeikasgas emissies te reduceren en klimaatneutraal te worden tegen 2050. Om dit noodzakelijke maar veeleisend doel te bereiken is verregaande vooruitgang in de carbon capture en utilization (CCU) technologie vereist. Elektrochemische CO2 reductie (eCO2R) is essentieel om de koolstof uitstoot tegen te gaan en de productie van duurzame brandstoffen en chemicaliën mogelijk te maken. De huidige elektrochemische reactoren lijden echter nog aan lage efficiënties en massa transport hinder als gevolg van de lage CO2 oplosbaarheid in waterige elektroliet systemen. Door gebruik te maken van gasvormig CO2, hebben zero gap elektrolyseurs het probleem van een lage oplosbaarheid overwonnen. Desondanks is de productiviteit en productzuiverheid van de huidige reactoren nog ver weg van de niveaus die op industrieel vlak geëist worden. Wij geloven dat de voornaamste oorzak hiervoor ligt in de componenten die gebruikt worden om gassen en vloeistoffen tot bij de katalysator te brengen en producten en zouten uit de reactor te verwijderen, aangezien deze nog steeds gebaseerd zijn op gelijkaardige componenten gebruikt in de water elektrolyse. In TRANSCEND, is het doel om te komen met een radicaal nieuw ontwerp van de CO2 elektrolyseur. Daarom werden 3 werkpakketjes ontworpen om een diepgaand verstaan van het massatransport in en de werking van de verschillende reactorcomponenten te bekomen en tegelijkertijd een geïntegreerde en geördende elektrolyseur te bouwen. De voorzien hoge graad van controle over het massatransport en reactie-omgeving zullen leiden tot een verhoogde efficiëntie en levensduur.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het algemeen doel van het "Map-it CCU"-project is om de kennis over de valorisatie van industriële CO2-afvalstromen te centraliseren in een kennismatrix en deze daarna (deels binnen en deels buiten het Map-it CCU-project) te vertalen in een beslissingskader dat door ondernemingen gebruikt kan worden bij hun technologiekeuze. In de kennismatrix worden volgende stappen uit de waardeketen opgenomen: 1. Evaluatie van bestaande en nieuwe CO2-afvangtechnologieën in functie van hun inzetbaarheid (bv. CO2-concentratierange en typische onzuiverheden); 2. Identificatie van purificatie- en conditioneringsstappen om de afgevangen stroom te behandelen tot de gewenste specificaties. Deze zijn afhankelijk van de bestemming van de stroom. Binnen Map-it CCU worden afzet in een centrale CO2-pijplijn en directe omzetting naar gewenste producten voorzien; 3. Omzettingsmogelijkheden van de gezuiverde en geconditioneerde CO2-stroom in eindproducten (CCU, bv. chemicaliën en brandstoffen) of hun uiteindelijke opslag (bv. CCS en mineralisatie). In het beslissingskader zal gezocht worden naar de differentiërende parameters die ondernemingen toelaten om, gegeven hun specifieke situatie, een selectie te maken van technisch haalbare technologieën. Hierbij zullen ook enkele parameters opgenomen worden die toelaten om de specifieke situatie van de onderneming mee te nemen in de selectie, zoals de beschikbaarheid van lokale restwarmtebronnen, beschikbare ruimte, etc. Het Map-it CCU-project focust zich in eerste instantie op CO2-uitstoters en daarnaast op ondernemingen die interesse hebben in CO2-conversie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Meynen Vera
• Co-promotor: Bogaerts Annemie
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Verbruggen Sammy

Onderzoeksgroep(en)

• Laboratorium adsorptie en katalyse (LADCA)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

CONFETI project wil een innovatieve technologie ontwikkelen op laboschaal dewelke in staat is om CO2 en N2 direct te gebruiken vanuit de lucht of rookgassen en deze elektrochemisch om te zetten zonder gebruik te maken van kritische materialen en met hernieuwbare energie. Door de productie van urea vanuit N (N2 en/of NO3-) en CO2, mikt het project op het bekomen van een circulaire en hernieuwbare koolstof en stikstof economie by recyclage en omzetting van NO3- dat niet opgenomen werd door de planten tot ammoniak of urea gebruik makend van fotokatalytische technologiën op basis van zonlicht. De in dit project vooropgestelde technologie om urea meststoffen te produceren en af te leveren zal hernieuwbare landbouw modellen volgen door middel van het volgende efficiënte gebruik van aanwezig grondstoffen, hernieuwbaarheid van de landbouw sector, het behoud van het milieu en de veiligheid en kwaliteit van het product. Voor veel landen is landbouw de dominante sector om de economie te ontwikkelen. Het verhogen van de productiviteit en het moderniseren van landbouw systemen zijn de voornaamste drijfveren omwereldwijde armoede te verlagen en energievoorziening te verhogen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Hereijgers Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Waterstof is essentieel voor de transitie naar koolstofneutraliteit. Momenteel wordt waterstof echter voornamelijk geproduceerd uit fossiele brandstoffen, omdat dit goedkoper is dan het produceren van duurzame waterstof door middel van elektrolyse. Dit prijsverschil beperkt momenteel de invoering van duurzame waterstof en er zijn aanzienlijke kostenverlagingen nodig om het concurrerend te maken. De kosten van de onderdelen van de elektrochemische cellen bedragen ongeveer de helft van de totale kosten van elektrolysesystemen. Een effectieve manier om de kosten van cel onderdelen te verlagen, is het verbeteren van de productiviteit van de elektrolyser door de stroomdichtheid te verhogen. Dit versnelt echter de vorming van gasbellen op het elektrode-oppervlak, waardoor de efficiëntie afneemt. Daarom is het doel van dit project om te onderzoeken hoe het celontwerp en de bedrijfsomstandigheden de verwijdering van gasbellen in alkalische waterelektrolysers bij hoge stroomdichtheden beïnvloeden. Door een combinatie van elektrochemische technieken en in-situ röntgentomografie kan een verband worden gelegd tussen het verwijderen van gasbellen en het celontwerp, waardoor het ontwerp kan worden geoptimaliseerd. Ook verschillende bedrijfsparameters zullen worden onderzocht om inzicht te krijgen in hoe ze de verwijdering van gasbellen beïnvloeden. Dit zal het ook mogelijk maken om elk celontwerp te koppelen aan de optimale bedrijfsomstandigheden, om zo de efficiëntie te maximaliseren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Hereijgers Jonas
• Mandaathouder: Van Laere Quinten

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Onderzoeksreactors met hoge performantie (HPRRs) zijn belangrijke instrumenten in materiaalonderzoek, nucleaire fysica en nucleaire geneeskunde. Hun hoge neutron flux stralingscapaciteiten werden historisch bekomen door het gebruik van een HEU brandstof. Om verspreiding te voorkomen is er een sterke vraag om de bestaande HPRRs om te zetten naar high assay LEU (HALEU) en om HALUE brandstofoplossingen te voorzien voor toekomstige HPRRs. Innovatieve fabrikatietechnieken zijn nodig om HALEU brandstoffen met hoogdense metalen te maken, met de nadruk op UMo en U3Si2 types. De voornaamste stappen zijn (i) de omzetting van uranium oxides in hun metallische vorm en (ii) recyclage van productresten om de fabrikatieomzet en dus U econome te verhogen. Pyroprocessing is een combinatie van elektrochemische handeling in hoge temperatuur gesmolte zout media ontwikkeld voor het bewerken van gebruikte nucleaire brandstoffen. Gebruikt als een batch proces kan het zodanig ontworpen dat het een kleine footprint heeft en de mogelijkheid heeft om lage hoeveelheden afval te produceren. Elektroreductie en elektrowinning zijn sleutelprocessen in pyroprocessing. Het doel van dit onderzoeksproject is de ontwikkeling van een elektrowinning proces geschikt om HALEU productieresten te recycleren. De scheidingsefficiëntie van de meest voorkomende onzuiverheden zullen bepaald worden samen met Mo en Si. In-situ elektrochemische en spectroscopische analyse technieken zullen onderzocht worden als een tool om deze procesparameters op te volgen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De algemene doelstelling van dit project is de ontwikkeling van (een) snelle, reproduceerbare elektrochemische methode(s) dewelke inzichten levert om de resultaten van de standaardmethode voor de corrosie-evaluatie van warmteoverdrachtsvloeistoffen (ASTM D1384) op een zo accuraat mogelijke manier te voorspellen. Dergelijke methode(s) zou toelaten om sneller nieuwe materialen te evalueren voor hun gebruik als inhibitor in warmteoverdracht vloeistof (HTF)- formules en als dusdanig de ontwikkelen van additieven te versnellen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Om catastrofale klimaatveranderingen tegen te gaan, is Europa volgende de Europese klimaatwet verplicht om haar uitstoot van broeikasgassen te reduceren om klimaatneutraal te worden tegen 2050. In dit opzicht wordt de elektrochemische CO2 reductie (eCO2R) gezien als een veelbelovende oplossing om de koolstoflevels te verlagen en duurzame chemicaliën aan te leveren. De huidige elektrochemische reactoren lijden nog onder hun lage efficiëntie en te traag massatransport als gevolg van de lage CO2 oplosbaarheid in water. Door gebruik te maken van gasvormig CO2, wordt dit verholpen in "zero-gap" elektrolyseurs. Echter ligt hun huidige productiviteit en product zuiverheid nog ver van de industrieel vereiste levels. We geloven dat de voornaamste oorzaak hiervan in de componenten ligt die gebruikt worden om het massatransport in de reactor te verzorgen, aangezien deze gebaseerd zijn op de ongeschikte materialen uit brandstofcellen. Hier wordt een disruptieve aanpak voor het maken van CO2 elektrolyseurs voorgesteld dewelke begint van een radicaal verschillend en bottom-up ontwerp om te komen tot een geïntegreerde structuur. Twee WPs werden ontworpen om een diepgaand verstaan over het massatransport van de bipolaire plaat en de poreuze transportlaag te bekomen. De voorziene, hoge graad van controle over massatransport en reactie-omgeving zal leiden tot een verhoogde efficiëntie en levensduur. Indien succesvol, zal dit sterk bijdragen aan het fundamenteel verstaan van eCO2R reactoren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het algemene doel van dit project is om het water elektrolyse process beter te verstaan. Dit zou moeten leiden tot de implementatie van een robuster, goed gecontroleerd en duurzaam ontwikkelingsproces voor membranen, tot een snellere ontwikkeling van de volgende generatie membranen voor toekomstige alkalische en AEM elektrolyser systemen, en tot verbeterde elektrolysers. Het startpunt is een kleinschalig, flexibel en efficiënt test systeem voor water elektrolyse. Dit moet er voor zorgen dat Agfa de fundamentele vereisten van de membranen, een cruciale component als het hart van de elektrolyser, beter kan verstaan om zo kwaliteit, robuustheid, betrouwbaarheid en performantie te verbeteren. Bovendien, moet dit leiden tot een snelle screening van performantie van membranen in een elektrolyser onder realistische en duurzame condities. Daarenboven, zal het ELCAT toestaan om betere electrolyser ontwerpen te maken door van dichtbij te gaan kijken naar de reactor configuratie en elektrode ontwerp. Het combineren van nieuwe membranen met verbeterde elektrolyser ontwerpen zou dan uiteindelijk moeten toelaten om de performantie van de elektrolyser te verhogen boven de huidige state-of-the-art in termen van energy efficiëntie (en levensduur). Op deze manier zal ELICZIR erbij helpen om de productie van groene waterstof dichter bij de markt te brengen en dus ook de ambities van de REPOWER-EU strategie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De textiel industrie is de vierde grootste industrie in de wereld met een totaal volume van 110 miljoen ton aan vezelproductie voor textiel in 2020. Tegelijkertijd is de textielindustrie één van de meest vervuilende industrieën ter wereld met een broeikasgasuitstoot dat 10% bedraagt van de totale wereldwijde uitstoot. Polyester is de meest gebruikte vezel in de industrie en bedraagt 52% van het globale marktvolume. De dag van vandaag is er geen technologie beschikbaar dat een oplossing biedt om de textiel industrie duurzaam te maken. PET geproduceerd uit petrochemische grondstoffen is momenteel dan ook dominant met een jaarlijks verbruik aan fossiele grondstoffen van 98 Mton. De verwachting is dat dit verbruik zal toenemen tot 300 Mton tegen 2050. De uitdagingen aanpakken omtrent koolstofneutraliteit, circulariteit, kost, value chain omschakeling en textiel eigenschappen is de missie van Threading-CO2. Threading-CO2 is dan ook een disruptief project dat voor de eerste keer technologie op industriële schaal zal ontwikkelen dewelke toelaat om CO2 afvalstromen om te zetten in duurzaam PET textiel. Het doel is dan ook om de technologie op te schalen en duurzame PET textiel te produceren in een commercieel haalbaar proces (TRL7). Dit zal toelaten om de uitstoot van broeikasgassen met 70% te reduceren in vergelijking met huidige productieprocessen. Daarenboven zal Threading-CO2 toelaten om een value chain voor duurzame PET textiel op Europees niveau te creëren en dit van grondstof tot finaal textiel product in de kleding, automotive en sport industrie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Hereijgers Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Femtoseconde pulsatie laser microbewerking maakt het mogelijk om verscheidene materialen zoals keramieken (bv. glas), harde metalen (bv. Hastelloy) en polymeren te bewerken met een resolutie tot op microschaal. Dit opent innovatieve en nieuwe onderzoeksmogelijkheden zoals het optimaliseren van de katalytische eigenschappen van oppervlakken, het verbeteren van de stromingsverdeling, warmtetransport en massatransport in chemische reactoren, het verhogen van de detectielimiet van fotoelektrochemische sensoren, het faciliteren van continue stromingschemie, het ontwikkelen van EPR en TEM meetcellen en het machinaal leren voor hybride 3D printen. Momenteel bezit de Universiteit van Antwerpen niet de nodige onderzoeksinfrastructuur om dergelijke materialen en oppervlakken met zulke microschaalprecisie te bewerken. Toegang tot femtoseconde pulsatie laser microbewerking zou dan ook een grote impact hebben op het onderzoek van zowel de dertien betrokken professoren en tien onderzoeksgroepen als de industrie en is essentieel om onderzoek uit te voeren op het hoogste internationaal niveau.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Bogaerts Annemie
• Co-promotor: Cool Pegie
• Co-promotor: De Wael Karolien
• Co-promotor: Maes Bert
• Co-promotor: Meynen Vera
• Co-promotor: Perreault Patrice
• Co-promotor: Van Doorslaer Sabine
• Co-promotor: Vanlanduit Steve
• Co-promotor: Verbeeck Johan
• Co-promotor: Verbruggen Sammy
• Co-promotor: Verwulgen Stijn
• Co-promotor: Watts Regan

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De nadelige gevolgen van CO2 op ons klimaat maken het verlagen van de antropogene CO2 uitstoot één van de grootste wetenschappelijke uitdagingen waarmee onze huidige generatie geconfronteerd wordt. Een mogelijke oplossing voor dit probleem is de directe foto- of elektrochemische conversie van CO2 in hoogwaardige producten zoals methanol, waarbij enkel water als protonbron en hernieuwbare energie als drijvende kracht worden gebruikt. Deze processen zijn echter onvoldoende productief en selectief. Foto-elektrochemie is daarom een veelbelovende techniek omdat het de combinatie maakt van fotochemie en elektrochemie. Via elektrochemie is het mogelijk om hoge omzettingssnelheden te bekomen omdat een externe drijvende kracht kan worden aangebracht. Nadeel is echter de lage selectiviteit. Via fotochemie kunnen hoge selectiviteiten worden bekomen, maar dit gaat dan weer ten koste van een lage omzettingssnelheid. Foto-elektrochemie combineert het beste van beide werelden. Waar de foto-elektrochemische aanpak zich al heeft bewezen voor de productie van waterstofgas, bestaan er tot op de dag van vandaag nog geen katalysatoren die CO2 voldoende efficiënt omzetten in methanol. Het doel van dit project is om actieve, selectieve en stabiele fotoelektrokatalytische materialen te ontwikkelen door het reactiemechanisme en de materiaaleigenschappen fundamenteel te doorgronden, welke toelaat om CO2 succesvol en selectief om te zetten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Cool Pegie

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Waterelektrolyse wordt sinds lang beschouwd als een duurzame en schaalbare technologie om groene waterstof te produceren. Groene waterstof is dan ook een veelbelovende kandidaat om energie in op te slaan. Om de algemene energie-efficiëntie van dit proces te verhogen, is het belangrijk om de trage zuurstofevolutiereactie (OER) te doorgronden en te verbeteren door efficiëntere elektrokatalysatoren te ontwikkelen. Cruciaal in deze zoektocht is de rol van dopering in dit proces, aangezien dopering de activiteit en stabiliteit van de elektrokatalysatoren sterk beïnvloedt hetzij in positieve of negatieve zin. Het hoofddoel van dit project is dus om de impact van dopering en van de nanostructuur en morfologie van de elektrodes op de stabiliteit van Ni-gebaseerde OER elektrokatalysatoren te ontrafelen. Het doorgronden van en de controle over het mechanisme waarmee dopering een verandering in activiteit veroorzaakt, zal hier bekomen worden door de combinatie van hoogstaande elektrochemie en (in-situ) fysicochemische karakterisatie toe te passen op een diverse set Ni katalysatoren zowel onder geïdealiseerde als onder continue condities. Dit zal uiteindelijk resulteren in een verregaand begrip van het activatie/degradatiemechanisme als het gevolg van dopering. Deze info kan dan toegepast worden om de onderzochte synthesemethodes fijn te stellen en te verbeteren om state-of-the-art Ni OER katalysatoren te ontwikkelen dewelke een hoge activiteit combineren met een hoge stabiliteit.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het hoofddoel van het CLUE-innovatieproject is de ontwikkeling van een efficiënte elektrolyzer voor langdurige elektrochemische conversie van CO2 naar ethyleen onder realistische en industrie-relevante CO2-stromen en gebruikmakend van efficiënte elektroden gebaseerd op mono- en bimetallische clusters.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Om in Europa tegen 2050 de uitstoot van broeikasgassen tot netto nul te herleiden, zal waterstof een cruciale rol spelen. Uiteraard moet dan om klimaatproblemen te verminderen groene waterstof, geproduceerd door waterelektrolyse met hernieuwbare energie, worden gebruikt in plaats van grijze waterstof, geproduceerd uit aardgas. Met de huidige prijzen van 2,5 tot 5,5€/kg is groene waterstof echter veel duurder dan grijze waterstof, welke slechts 1,5€/kg kost. Een belangrijke factor hierin is stroomverbruik, dat voor 80% de prijs van groene waterstof bepaalt. Om dit te verlagen ligt de onderzoeksfocus doorgaans op het verbeteren van de elektrokatalysator, terwijl het reactorontwerp onderontwikkeld blijft. Met dit voorstel zou ik dit gat in de huidige kennis aanpakken en onderzoeken hoe gestructureerde 3D-elektroden de prestaties van waterelektrolysers kunnen verbeteren. Met het gecombineerde effect van een groot oppervlak en gestructureerde geometrie kan verminderde ohmse weerstand, efficiënte gasbelafgifte, kleine drukval en uniforme stroomverdeling bekomen worden, waardoor het stroomverbruik van de huidige waterelektrolysers wordt aangepakt. Door middel van 3D-printen en het gebruik van coatingtechnieken zoals elektrodepositie, zal de invloed van de elektrodegeometrie en oppervlaktestructuur op de efficiëntieverliezen in waterelektrolysers worden gekarakteriseerd, wat inzicht geeft in parameters zoals ohmse weerstand, hydrodynamische eigenschappen en afmeting van de gasbellen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Promotor: Hereijgers Jonas
• Co-promotor: Hereijgers Jonas
• Mandaathouder: De Wolf Renée

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Een van de grootste uitdagingen deze tijd is het verlagen van de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer en het verminderen van de CO2-uitstoot. De elektrochemische CO2 reductie (ECR) biedt een oplossing door CO2 te gebruiken in combinatie met hernieuwbare energie en het om te zetten in waardevolle chemicaliën (hier mierenzuur). Om het proces echter sneller industrieel haalbaar te maken, zou het nuttig zijn om de zuurstofevolutiereactie als tegenreactie te vervangen door een economisch interessantere reactie, zoals dehydrogenering van alkanen. Deze reactie vereist hoge temperaturen, tot 100°C, wat betekent dat de CO2 reductie ook efficiënt zou moeten werken bij deze temperatuur. Er is echter weinig bekend over het effect van verhoogde temperaturen op de algemene prestaties van CO2 reducerende elektrolytische cellen en elektrokatalysatoren. Het doel van dit project is dus om SnO2 gebaseerde elektrokatalysatoren te ontwikkelen die hoge en stabiele ECR prestaties mogelijk maken bij verhoogde temperaturen door gebruik te maken van geavanceerde koolstofdragers. Hoogwaardige elektrochemische en fysicochemische karakteriseringen zullen gebruikt worden om inzicht te krijgen in de interacties tussen de drager en SnO2 en om de impact van de drager op de degradatiemechanismen bij hoge temperaturen te ontrafelen om ze tot een minimum te kunnen herleiden. Dit zal er tot leiden dat de ECR gekoppeld kan worden aan de dehydrogenering van alkanen in een co-elektrolyse opstelling.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Rossen Alana

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Doel van dit project is om een Belgische thuisbasis te creëren voor academische waterstofexpertise door een kerngroep van 16 breed opgeleide en genetwerkte onderzoekers op te richten die, samen met hun ruimere academische netwerk, de Belgische industrie kunnen ondersteunen bij het vinden van technologische & maatschappelijke oplossingen voor essentiële waterstofuitdagingen. Dit bereiken ze door excellentie na te streven in hun onderzoek, gespecialiseerde vaardigheden te verwerken via training en kennis uit te wisselen binnen het academische (-industriële) netwerk.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Met het oog op de klimaatuitdagingen waarmee de mensheid momenteel geconfronteerd wordt, vormen CO2 captatie en conversie één van de beste mogelijkheden om de steeds stijgende CO2 niveaus in de atmosfeer te verlagen. In deze context worden verschillende conversietechnieken onderzocht waarbij elektrochemie economische rendabiliteit het dichtst nadert. In het algemeen vergen elektrochemische syntheses minder stappen, produceren ze minder afval, voorzien ze een goedkoper reagens (i.e. water) en vereisen ze minder minder hulpmiddelen. Bovendien kunnen elektrochemische processen vaak gemakkelijker opgeschaald worden dan niet-elektrochemische syntheses. Ze kunnen ook bij milde omstandigheden uitgevoerd worden waarbij elektriciteit gebruikt wordt als drijvende kracht voor de reactie. Vermits elektronen afvalvrij zijn, kan het afval beperkt worden. Door de verschillende aspecten van de reactor te optimaliseren, van de elektrokatalysator tot de integratie in de uiteindelijke reactor, kan dit programma ons dichter bij een mogelijke toepassing brengen en huidige industriële processen vervangen. Tijdens de integratie zal speciale aandacht besteed worden aan de interfaces tussen de verschillende reactorcomponenten om de energieverliezen (Ohmische verliezen) tot een minimum te reduceren en de totale reactor-efficiëntie te verhogen. Door zowel op de elektrokatalysator als op het reactorontwerp (interfaces, omstandigheden, stromingsvelden, enz) te concentreren, verwachten we dat we kunnen evolueren voorbij de huidige state-of-the-art wat betreft elektrokatalytische activiteit, selectiviteit en stabiliteit.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het algemene doel van dit project is om een synergie te creëren tusen foto- en elektrochemie in een foto-elektrokatalystische aanpak om CO2 om te zetten in methanol. De aanpak hierbij is tweërlei. Enerzijds ambiëren we de ontwikkeling van actievere en meer stabiele katalytische materialen dan diegenen beschikbaar in de state-of-the-art. Anderzijds mikken we ook op het verbeteren van de productiviteit van de foto-elektrochemische reactor met als doel een energie-efficiëntie van 30% te behalen met mogelijkheid tot verdere opschaling.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

ELCAT wenst zijn huidig HPLC toestel te vervangen aangezien het steeds meer gebreken vertoont, geen productidentificatie toelaat, een lage gevoeligheid heeft, niet gekoppeld kan worden met de elektrochemische reactoren voor in-line detectie en niet meer ondersteund wordt door de fabrikant. Het onderzoek binnen ELCAT situeert zich in het domein van de elektrochemie en industriële elektrificatie. Voor de ontwikkeling van elektrochemische reactoren en katalysatoren is het van uitermate belang dat we alle producten in het reactiemengsel kunnen identificeren en kwantificeren. Zo niet is het niet mogelijk om de bestudeerde elektrochemische processen te evalueren en verbeteren. Aangezien ELCAT een jonge onderzoeksgroep is met een sterke exponentiële groei in de laatste jaren, is de druk op de beschikbare huidige analytische toestellen groot. Dit vertraagt niet alleen het huidige onderzoek, maar heeft ook een impact op toekomstige onderzoeksprojecten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Alkaan dehydrogenatie is een sleutelreactie, niet alleen voor de huidige chemische industrie, maar ook voor de opwaardering van polyolefine afval. Dehydrogenatie is endotherm en kampt bij de hoge temperaturen (> 500°C) met selectiviteitsproblemen. Hier beogen we dehydrogenatie bij 100-200°C, door de reactie aan te drijven met (hernieuwbare) elektriciteit in een 2-compartiments elektroreactor. Aan de anode gebruiken we een edelmetaalkatalysator met een promotor die de selectiviteit voor mono-dehydrogenatie verhoogt; of we gebruiken een homogeen Ir-'pincer' complex, dat na alkaandehydrogenatie en vorming van het metaal-dihydride op de anode wordt geregenereerd. Ir pincers hebben unieke, bv. terminale selectiviteit. Anderzijds worden protonen en elektronen van het alkaan gebruikt om CO2 tot mierenzuur te reduceren op speciale Sn kathodes, die moeten werken op dezelfde temperatuur als de anode. Kritisch is het membraan tussen beide compartimenten, dat zelfs bij 100-200°C protongeleidend moet zijn. We ontwerpen en gebruiken 'mixed matrix membranen', met stabiele polymeren (bv polybenzimidazool) en metaal-organische roosters als vullers. De componenten worden samengebracht in een elektroreactor met optimaal massatransport. Met 'operando' technieken (in situ TEM, XRD, DEMS, ..) wordt de evolutie van de katalysatoren in echte reactiecondities gevolgd; snelheden van dehydrogenatie, protontransport en CO2 reductie worden gemeten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit IOF consortium verbindt chemisten, ingenieurs, economisten en milieu-wetenschappers in een geïntegreerd team om maximale impact te genereren in de duurzame sleuteltechnologieën, materialen en reactoren, die een cruciale rol spelen in een duurzame chemische industrie en in de economische transitie naar een circulaire, grondstofefficiënte en koolstofneutrale economie (deel van de 2030 en 2050 doelen waarin Europa een leidende rol wil spelen). Innovatieve materialen, hernieuwbare chemische grondstoffen, nieuwe/alternatieve reactoren, technologieën en productie methoden zijn essentiële en centrale elementen om dit doel te bereiken. Door hun onderlinge verstrengeling is een multidisciplinaire, gecoördineerde inspanning als team cruciaal om succesvol te kunnen zijn. Bovendien is vroegtijdige voorspelling en identificatie van sterktes, opportuniteiten, zwakten en bedreigingen in levenscyclusanalyse, techno-economische analyse en duurzaamheidsbeoordeling een objectieve en noodzakelijke sleutel om duurzaamheid in te bouwen tijdens de design fase en om effectieve kennis-gedreven beslissingen te nemen en focus te houden op de grootste bijdragen aan duurzaamheid. Het consortium focust op duurzame chemische productie door efficiënt en alternatief energiegebruik, gekoppeld aan circulariteit, nieuwe chemische reactiepaden, technologieën, reactoren en materialen, die toelaten om alternatieve grondstoffen en energie te gebruiken. De kern van technologische expertise wordt ondersteund door expertise in simulaties, techno-economische en milieu impact beoordelingen en onzekerheidsidentificatie om de technologische ontwikkeling te versnellen via kennis gedreven design en vroeg stadige identificatie van sleutel onderzoek nodig voor een versnelde groei en maximale impact op duurzaamheid. Om deze doelen te bereiken, zijn de consortiumleden gegroepeerd over 4 samenhangende valorisatie programma's gefocust op sleutelelementen die de performantie bepalen en de chemische industrie en technologie hun meerwaarde geven en verder doen groeien: 1) hernieuwbare grondstoffen, 2) duurzame materialen en materialen voor duurzame processen, 3) duurzame processen die efficiënt gebruik maken van alternatieve hernieuwbare energie en/of circulaire chemische bouwstenen gebruiken; 4) innovatieve reactoren voor duurzame processen. Daarenboven zijn transversale sleutelexpertises geïntegreerd, die essentiële ondersteuning bieden en data gebaseerde beslissingen mogelijk maken in de 4 valorisatie programma's door simulaties, techno-economische en milieu-impact beoordelingen en onzekerheidsanalyses.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Meynen Vera
• Co-promotor: Billen Pieter
• Co-promotor: Bogaerts Annemie
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Compernolle Tine
• Co-promotor: Cool Pegie
• Co-promotor: Das Shoubhik
• Co-promotor: Lenaerts Silvia
• Co-promotor: Maes Bert
• Co-promotor: Neyts Erik
• Co-promotor: Perreault Patrice
• Co-promotor: Vande Velde Christophe
• Co-promotor: Vande Velde Christophe
• Co-promotor: Van Passel Steven
• Co-promotor: Verbruggen Sammy
• Mandaathouder: Meyer Nathalie

Onderzoeksgroep(en)

• Laboratorium adsorptie en katalyse (LADCA)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Katalyse is een sleuteltechnologie om meer efficiënte en groene organische synthesen te bereiken. Complementaire expertise op het vlak van de ontwikkeling van nieuwe (homogene en heterogene) katalysatoren (redox, foto, elektrokatalyse) zal samen worden gebracht met organische synthese know-how in één expertisecentrum. Samenwerking van 5 onderzoeksgroepen van twee faculteiten van de Universiteit Antwerpen creëert een unieke basis voor innovatief onderzoek, waarin uitdagende omzettingen in organische chemie worden aangepakt. Breken en functionalisering van sterke bindingen (koolstof-stikstof, koolstof-zuurstof, koolstof-waterstof en koolstof-koolstof) in (kleine) organische moleculen behoort tot de basis onderzoekstopics van het consortium. De substraten zullen petrochemische, biohernieuwbare en afvalproducten (bv. CO2) omvatten. Het consortium combineert geavanceerde spectroscopie (o.a. UV-vis, (in-situ) IR, multi-frequente EPR en NMR, circulair gepolarizeerde en conventionele Raman), sorptie en quantum-chemische en moleculaire modeleringstechnieken die fundamenteel inzicht in de actieve site van de katalysator en het reactiemechanisme zullen geven. Dit levert 'tools' voor rationele katalyator/reactieontwikkeling. Door 'shaping' van de nieuwe katalysatoren (e.g. indirecte 3D printing) en evaluatie in flow, studie van massa transport effecten en sorptie experimenten zal het industriële potentieel worden nagegaan.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Maes Bert
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Cool Pegie
• Co-promotor: Herrebout Wouter
• Co-promotor: Meynen Vera
• Co-promotor: Van Doorslaer Sabine

Onderzoeksgroep(en)

• Organische synthese (ORSY)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Amine-wassing is momenteel de meest robuuste technologie voor CO2-afvang na verbranding. Het energie-intensieve regeneratieproces van het amine heeft echter een belangrijk effect op de operationele kosten, waardoor de technologie duur wordt, wat een bredere industriële toepassing belemmert. Om de regeneratiestap te vermijden en zo de kosten te drukken, richt dit doctoraatsprojectvoorstel zich op de directe elektrochemische reductie van CO2 uit de afvangmedia, waarbij de nadruk ligt op de katalysatorvoorbereiding en de bepaling van het reductiemechanisme. Formaat wordt als belangrijkste reductieproduct beoogd vanwege de gereedheid van productie uit de CO2 reductie. Tin (Sn)-katalysatoren zullen worden gesynthetiseerd, voornamelijk door elektrodepositie, voor een geoptimaliseerde formaatproductie uit de afvangmedia. Spectro-elektrochemische methoden - voornamelijk SEIRAS - zullen gebruikt worden om het elektrodeoppervlak te onderzoeken en zo het reactiemechanisme te ontrafelen. Met het vastgestelde mechanisme en de geoptimaliseerde CO2 conversie, zal het systeem getest worden voor elektrolyse op langere termijn (> 50u) en zal het gevalideerd worden door middel van een andere katalysator (Ag voor de productie van CO), zodat deze technologie de volgende stap naar de mogelijke industriële toepassing zet.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Bohlen Barbara

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het maatschappelijke bewustzijn rond de eindigheid van sommige grondstoffen en de kwetsbaarheid van ons milieu heeft ervoor gezorgd dat overheden hieromtrent strengere normen opgelegd hebben aan de industrie. Vanuit de industrie komt dan ook de vraag naar grondstofstromen met zo weinig mogelijk milieu impact. Dit impliceert dat deze stromen afkomstig zijn van een hernieuwbare bron of van een inherente afvalstroom van andere processen. Ecover is een voortrekker en voorbeeld in deze circulariteit. Hun missie is het produceren van schoonmaakmiddelen op een ecologische, economische en sociaal verantwoorde manier. Hiervoor is Ecover actief op zoek naar ingrediënten met een kleinere ecologische voetafdruk die geen afbreuk doen aan de kwaliteit van hun producten. Een voorbeeld van een actieve component die gebruikt wordt in de ontkalkingsproducten van Ecover is mierenzuur, dat momenteel afkomstig is uit fossiele bronnen. In dit PoC-project zullen ELCAT, Oxylum en Ecover samenwerken om te onderzoeken of CO₂ elektrolyse voor de productie van mierenzuur als component in ontkalkingsproducten economisch en technisch haalbaar is op industriële schaal. Er zal onderzocht worden wat de invloed is van specifieke katalysatoren in een opgeschaalde CO₂-elektrolyzer qua energie-efficiëntie naar mierenzuur maar ook of er katalysator/andere onzuiverheden geïntroduceerd worden in de productstroom. Vervolgens zal de zuiverheid van de CO₂ voedingsstroom aangepast worden om zo de invloed van de verminderde CO₂ concentratie en de aanwezigheid van mogelijke onzuiverheden (SOx en Nox) in kaart te brengen. Het mierenzuur dat geproduceerd is door elektrolyse bij variërende procesparameters zal dan getoetst worden aan de kwaliteitsvereisten van Ecover en de compatibiliteit met de productformulatie zal worden nagegaan. De expertise van deze drie partners omtrent katalysatoren, reactor engineering en productkennis zorgt voor een unieke combinatie van relevante kennis om een marktgedreven technology transfer te bekomen. Op het einde van dit project zal de samenwerking tot doel hebben om een batch van 50 L hernieuwbaar mierenzuur te produceren. Er zal onderzocht worden of en hoe dit mierenzuur kan gebruikt worden voor de productie van een testlijn CO2 neutrale ontkalkers. Hierdoor zal mogelijks het potentieel van de technologie, zowel op technisch als economisch vlak, aan een breed publiek getoond kunnen worden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Neukermans Sander

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het gebruik en misbruik van drugs blijft verwoestende gevolgen hebben voor de menselijke gezondheid en de samenleving. Mede doordat er recentelijk grote veranderingen hebben plaatsgevonden op de drugsmarkt in Europa, zoals nieuwe psychoactieve stoffen, chemische modificaties en isomerisaties van typische illegale drugs, ontstonden nieuwe analytische uitdagingen. Deze chemicaliën bevatten meerdere componenten of isomeren die specifiek zijn ontworpen om de huidige test ter plaatse en internationale drugswetgeving te omzeilen. Het voorgestelde REVAMP-project heeft het ambitieuze doel om elektrochemische detectie in vloeistofchromatografie (HPLC) te doen herleven. Het doel is de koppeling van een nieuwe elektrochemische detector op basis van een gezeefdrukte elektrode (SPE)-array met HPLC te creëren om voor de eerste keer een mobiel en compact model te ontwikkelen dat ter plaatse drugs kan identificeren met een verhoogde selectiviteit voor isomeren en polydrugdetectie. Het belangrijkste probleem van conventionele elektrochemische detectie (reproduceerbaarheid en polijsten) zal worden aangepakt met behulp van SPE's. Hoewel elektrochemische detectie een uitnodigende benadering is om een gamma aan verbindingen te detecteren, gezien de hoge gevoeligheid (laag/sub-ng/ml), lage kosten en miniaturisatiemogelijkheden, ontbreekt de methodologische koppeling met HPLC en SPE's. Deze strategieën kunnen overigens worden overgedragen naar moleculen zoals antibiotica, fenolen en explosieven.

Onderzoeker(s)

• Promotor: De Wael Karolien
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: van Nuijs Alexander
• Mandaathouder: Sleegers Nick

Onderzoeksgroep(en)

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

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De uitstoot van broeikasgassen dient absoluut teruggedrongen worden om drastische klimaatwijzigingen en de catastrofale gevolgen ervan tegen te gaan. Het gebruik van hernieuwbare energiebronnen en het efficienter maken van grootschalige chemische productieprocessen vormen essentiele stappen in deze transitie. Op korte termijn is het afvangen van CO2 die wordt uitgestoten in zulke processen echter vereist om de CO2-uitstoot te doen dalen. De hoge kosten en technologische beperkingen van beschikbare CO2-afvangtechnologieen belemmeren hun succesvolle en industriele toepassing. Dit CAPTIN project heeft daarom als doel nieuwe en efficientere, duurzame en economisch haalbare technologieen voor het afvangen en scheiden van CO2 te ontwikkelen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

"Het project wil de ontwikkeling van innovatieve continue flow technologie verderzetten met het oog op industriële implementatie. Flow technologie komt voornamelijk van pas bij continue processen en kan op verschillende niveaus ingezet worden van efficiënte en voordelige screening van procesomstandigheden tot procesintensificatie. Momenteel is het gebruik van deze flow technologie nog beperkt tot de meest klassieke en eenvoudige chemische reacties en bovendien gebruik makend van redelijk eenvoudige reactorontwerpen om de kosten te drukken. Meer hoogstaande technieken zitten momenteel nog niet op industrieel niveau en zijn dus nog niet commercieel inzetbaar. In dit project willen we deze kloof overbruggen voor een reeks industrieel relevante processen die momenteel nog te duur zijn en bovendien ook onvoldoende efficiënt verlopen door gebruik te maken van geavanceerde flowtechnologie. De twee voornaamste processen die onderzocht zullen worden zijn foto- en elektrochemische syntheses, beide "groene" processen. In batch werken ze onvoldoende maar dit probleem kan opgelost worden en grote sprongen in opbrengst en selectiviteit kunnen bekomen worden als ze uitgevoerd worden in daartoe geoptimaliseerde flow reactoren (bv. minimale weerstand en optische weglengte). Tot slot, zal er ook getracht worden om evenwichtsreacties en meerstapsreacties continu uit te voeren door in situ en inline opzuivering van de verschillende producten."

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Amine gaswassing is op dit moment de meest robuuste technologie voor de verwijdering van CO2 uit verbrandingsgassen van grootschalige industriële emissiebronnen. Een belangrijk nadeel van de technologie is het grote verbruik van warmte om het amine solvent te regenereren. Het innovatie-doel van dit project is de kost van het amine gaswassingsproces te verminderen door het solvent te regenereren bij lagere temperatuur (< 100°C) en tegelijkertijd het afvangproces te koppelen met omzetting van de gevangen CO2. De kost van dit proces kan aanzienlijk verminderd worden door 1) de lage temperatuur nodig voor de regeneratie van de amines, en 2) de directe integratie tussen afvang en omzetting van CO2 in waardevolle eindproducten (mierenzuur, methyl formaat en/of ethyleen). De algemene doelstelling van het RASCON project is het ontwikkelen van een lage-temperatuursproces voor reactieve scrubbing waarbij CO2 omgezet wordt naar industrieel waardevolle producten en het amine absorbent tegelijkertijd geregenereerd wordt.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Hernieuwbare fluctuerende energiebronnen zoals zonnepanelen en windmolens betekenen een grote uitdaging op het gebied van de afstemming van het productie-consumptieprofiel. Een duurzame oplossing voor dit probleem is het gebruik van batterijen. Specifiek zijn doorstroombare redox batterijen een interessante technologie, omdat bij doorstroombare redox batterijen de opslagcapaciteit is losgekoppeld van de grootte van de batterij door het elektroliet actief door de batterij te circuleren. Hierdoor zijn ze interessant voor langdurige en grootschalige energieopslag. Om echter industrieel toepasbaar te worden, moet het te leveren vermogen worden verhoogd. Het doel van dit doctoraatsproject is om de massaoverdracht te verbeteren zonder dat dit ten koste gaat van een verhoogde pompkost door de ontwikkeling van 3D pilaarelektroden. Het gecombineerde effect van een groot elektrodeoppervlak, geordende geometrie resulterend in een lage drukval en een uniforme stroom- en potentiaalverdeling, maken dat pilaarelektroden een groot potentieel hebben als elektrodeontwerp in elektrochemie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Promotor: Hereijgers Jonas
• Mandaathouder: De Rop Michiel

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Een van de grootste wereldwijde uitdagingen is het minimaliseren van broeikasgasemissie. Het ontwikkelen van een milieuvriendelijker alternatief voor het energie-intensieve Haber-Bosch-proces is een veelbelovende manier om dit probleem aan te pakken. Dit project focusseert daarom op de ontwikkeling van de stikstofreductiereactie, die meer energie efficiënt is. Helaas hebben de huidige katalysatoren voor dit proces zeer lage activiteiten en selectiviteit. Ons doel is dus om een nieuwe state-of-the-art katalysator te ontwikkelen, bestaande uit Fe-Au kern-schil nanodeeltjes op een stikstof-gedoteerde koolstof drager. Fe en Au vertonen beide goede katalytische eigenschappen voor de stikstofreductiereactie, maar we verwachten dat de combinatie van beide elementen tot synergie zal leiden, zoals eerder geobserveerd voor kern-schil deeltjes in gelijkaardige reacties. Om de stabiliteit en activiteit te verbeteren zullen de katalysatoren worden ingebouwd in een poreuze drager. De combinatie van elektronenmicroscopie en elektrochemische testen laat toe om de katalysator op rationele manier te verbeteren. De effecten van de poreuze drager, doping, deeltjesdistributie, core-shell configuratie en de structuur van de interfaces op de activiteit zal worden bestudeerd. Degradatiemechanismes zullen worden onderzocht om de uiteindelijke stabiliteit te verbeteren. Dit onderzoek in een belangrijke stap bij om de stikstofreductiereactie industrieel rendabeler te maken.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Bals Sara
• Mandaathouder: Hoekx Saskia

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Elektrochemische reductie kan CO2 omzetten in een breed gamma van interessante producten (waaronder koolstofmonoxide en mierenzuur), gebruik makend van elektriciteit. De efficiente aanvoer van reagentia naar de katalysator is de bepalende factor om het proces actief genoeg te maken op een industriele schaal. De gas diffusielaag (GDL) is de plaats waar CO2, water en elektronen samenkomen voor reactie. Tot nu toe is het ontwerp van GDLs voor CO2 elektrolyse altijd gebaseerd geweest op dat van brandstofcellen. Die zijn echter niet gemaakt voor de toepassing van elektrochemische CO2 reductie. Hierdoor lijden ze onder een zwakke stabiliteit, met afname van de prestaties na enkele uren. In dit voorstel willen we een nieuwe GDL bouwen, op basis van covalente triazine netwerken (CTFs) als bouwmateriaal. De nieuwe GDLs zullen de activiteit van de reactie verhogen, maar vooral de stabileit sterk verbeteren. De voorgestelde GDL bestaat uit drie lagen: de basis is een koolstofdoek. Daarop groeien we eerst een hydrofobe CTF, en daarboven op een tweede laag CTF, die de ondersteuning biedt voor de katalysatornanopartikels. Deze tweede CTF is gemaakt uit een mengeling van verschillende monomeren, die elk een bepaalde wenselijke eigenschap bevatten die de performantie van de cel nog verhogen. De nieuwe GDLs worden state-of-the-art katalysatoren gebracht, vervolgens worden ze getest op hun activiteit en stabiliteit op lange termijn voor de conversie van CO2 naar CO of mierenzuur.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De inspanningen om het aandeel hernieuwbare energie te vergroten brengen grote uitdagingen mee met betrekking tot fluctuerende elektriciteitsproductie. Europa verwacht tegen 2050 dat het aandeel hernieuwbare energie groter is dan 45%. Bijgevolg zijn oplossingen nodig om energie te kunnen opslaan. Eén van die oplossingen is het opslaan van overtollige elektriciteit met behulp van doorstroombare redoxbatterijen. In tegenstelling tot conventionele (lithium-ion) batterijen hangt de opslagcapaciteit van doorstroombare redoxbatterijen niet af van het elektrodeoppervlak. Dankzij het elektroliet doorheen de batterij te pompen, hangt de opslagcapaciteit enkel af van het volume van het elektroliet, dat opgeslagen kan worden in goedkope tanks. Om het vermogen van de doorstroombare redoxbatterijen te vergroten, worden zij typisch uitgerust met sponsachtige felt elektroden. De kost om het elektroliet te pompen door dergelijke wanordelijke 3D-elektroden is echter aanzienlijk. 3D-geprinte elektroden verlagen de benodigde pompkost met twee grootteordes omwille van hun geordende geometrie. Het doel van dit project is om de invloed van 3D-geprinte elektroden op de prestatie van doorstroombare redoxbatterijen te ontrafelen. Om dit doel te bereiken wordt de correlatie tussen het vermogen en de drukval onderzocht voor verschillende elektrodegeometrieën en in functie van de batterijstabiliteit.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Hereijgers Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het doel van het onderzoeksproject is het ontwikkelen van een prototype elektrochemische reactor die gebaseerd is op de COSTA™ technologie. Huidige commercieel verkrijgbare elektrochemische reactoren vertonen nog steeds significante beperkingen betreft massatransfer efficiëntie, welke van essentieel belang is voor heterogene katalytische processen, waaronder elektrochemie. Zoals reeds bewezen voor de ontwikkeling van fotochemie, laat de COSTA™ technologie ons toe zulke limitaties van huidige elektrochemische reactoren teniet de doen, waardoor deze ontwikkelde reactor breed inzetbaar zal zijn voor toepassingen binnen o.a. de farmaceutische en fijnchemicaliën industrie. Terwijl foto- als elektrochemie veel gelijkenissen vertonen (vb. het achterliggend één elektrontransfer mechanisme, reagentia moeten migreren naar de reactieve zone, waar ofwel de fotonen (venster) of elektronen (elektrode) geleverd worden), vertonen ze tevens fundamentele verschillen (vb. een elektrochemische reactor berust op het gebruik van een aparte anode en kathode die fysiek aangesloten dienen te worden aan een stroombron). Als gevolg zal de implementatie van de COSTA™ technologie voor een elektrochemische reactor, substantiële onderzoek vergen. Fundamenteel onderzoek zal nodig zijn voor het evalueren van parameters zoals het design en configuratie van de statische mengelementen, keuze van elektrodemateriaal, integratie van een warmtewisselaar, ontwikkelen van de reactorbehuizing, elektrische isolatie, materiaal compatibiliteit, pulsatie parameters, etc.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Elektronen paramagnetische resonantie (EPR) biedt een uniek instrument voor de karakterisatie van paramagnetische systemen in biologische en synthetische materialen. EPR wordt gebruikt in diverse onderzoeksgebieden, zoals biologie, chemie, fysica, geneeskunde en materiaalwetenschappen. Het is een verzamelnaam voor verschillende technieken, waarbij de gepulste EPR methoden de veelzijdigste zijn en gedetailleerde informatie kunnen geven. De UAntwerpen heeft een gepulste en hoog-veld EPR-faciliteit die uniek is in België. De basis continue-golf EPR instrumentatie is echter dringend aan een upgrade toe. Verder werd recent een nieuw tijdperk in EPR spectroscopie ingeluid dankzij de technische ontwikkeling van AWGs (arbitrary waveform generators) met een kloksnelheid hoger dan een gigahertz. Deze AWGs laten nieuwe experimenten met specifieke pulsvormen toe waardoor veel gedetailleerdere informatie over de bestudeerde systemen kan bekomen worden. Bovendien verhoogt het de gevoeligheid en spectrale breedte van de EPR methoden enorm. Dit is belangrijk voor de studie van nanogestructureerde materialen en voor de detectie van actieve sites die transiënt gevormd worden tijdens katalyse, device-werking of reacties in biologische cellen, onderwerpen die van groot belang zijn voor het aanvragende consortium. De aangevraagde uitbreiding van de EPR faciliteit is essentieel om er voor te zorgen dat EPR aan de UAntwerpen in het voorveld blijft van dit heel snel veranderend onderzoeksgebied.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Van Doorslaer Sabine
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Cambré Sofie
• Co-promotor: Dewilde Sylvia
• Co-promotor: Maes Bert
• Co-promotor: Meynen Vera
• Co-promotor: Van den bergh Wim
• Co-promotor: Verbruggen Sammy

Onderzoeksgroep(en)

• Biofysica en Biomedische Fysica
• Theorie en Spectroscopie van Moleculen en Materialen (TSM²)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

In het licht van de klimaatopwarming, zijn we in 2018 gestart met het IOF-SBO STACkED project met als doel het meest optimale CO2 elektrolyzer design te bepalen. De resultaten direct bekomen uit dit project hebben in oktober 2019 geleid tot de start van een patent aanvraagproces in samenwerking met het patentbureau De Clercq & Partners om de bekomen CO2 elektrolyzer te beschermen. De huidige CO2 elektrolyzer is echter beperkt in omvang (labo-schaal) en bevindt zich dan ook op TRL 3 niveau. Bijgevolg willen we via dit POC Blue_App project de volgende stap nemen en de CO2 elektrolyzer opschalen naar industrieel relevante grootte om zo een TRL 5 niveau te bereiken. Het doel van dit POC Blue_App project is dan ook om de CO2 elektrolyzer te gaan opschalen van 5 watt tot 1-2 kilowatt. Daarnaast zal dit POC Blue_App project toelaten om de patentaanvraagprocedure te versterken en mogelijke bottlenecks die voort kunnen komen uit de patentaanvraagprocedure op te lossen, alsook de verschillende valorisatiemogelijkheden te onderzoeken, ofwel via het oprichten van een spin-off ofwel via de verkoop van licenties aan derde partijen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Daems Nick
• Co-promotor: Hereijgers Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Pyroprocessing is een combinatie van elektrochemische bewerkingen voor de opwerking van verbruikte splijtstoffen in hoge temperatuur gesmolten zoutmedia. Ingezet als een batchproces, kan het worden ontworpen met een kleine voetafdruk en kan het worden geïmplementeerd in een colocatiesysteem met meerdere reactoren op één locatie, in tegenstelling tot een gecentraliseerde waterige opwerkingsfaciliteit met een grote doorvoercapaciteit. Pyroverwerking is zeer stralingsbestendig en bestaat over het algemeen uit meerdere deelprocessen: (i) behandeling van het head-end, (ii) elektroreductie en (iii) elektrorefining. In de elektroreductiestap wordt de oxidetoevoer geladen in een hoge temperatuur LiCl:Li2O-smelt. Het toepassen van een stroom tussen de kathode en de inerte anode reduceert het voedermateriaal tot zijn metallische vorm. Het merendeel van de zeer actieve splijtingsproducten wordt opgelost in het gesmolten zout, waardoor de warmte en de straling van het metaalproduct worden gereduceerd. Ten slotte wordt de metaalbrandstof tijdens de elektroraffinage geladen in een elektrorefiner die een LiCl:KCl smelt. De brandstof wordt elektrochemisch opgelost door een specifieke potentiaal tussen de anodehoudende brandstof en een opeenvolging van kathoden toe te passen om een fractie rijk aan uranium en een fractie in transuraniumelementen te recupereren. Hoewel de voordelen van pyroverwerking duidelijk zijn, zijn er nog steeds verbeteringen in de faradaïsche efficiëntie en de verwerkingstijd nodig voor de schaalvergroting en de wijdverspreide tewerkstelling ervan. Deze verbeteringen worden belemmerd door een gebrek aan fundamenteel inzicht in de processen die spelen. Een nauwkeurige controle op de massatransfer die op deze manier kan worden toegepast, is cruciaal voor het verzamelen van deze fundamentele informatie. De belangrijkste doelstelling van dit onderzoeksproject is het verkorten van de reactietijden en het verbeteren van de faradaïsche efficiëntie van het elektroreductieproces van uraniumoxiden in gesmolten zoutmedia om de toekomstige industriële toepassing ervan in de pyroverwerking te vergemakkelijken. De massatransfersnelheid van actieve soorten die betrokken zijn bij de elektrochemische reacties is een van de belangrijkste parameters die moet worden begrepen en gecontroleerd. In dit perspectief zal de innovatie van het project bestaan uit het gebruik van een sol-gel methode om de morfologie en de porositeit (die de massatransfersnelheid beïnvloeden) van de oxidelevering te controleren als aandrijfparameter voor de electroreductie. Bijgevolg kan deze verzamelde kennis het ontwerp van geoptimaliseerde electroreductieprocesparameters zoals kathodemorfologie en elektrodegeometrie vergemakkelijken.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

ELCAT wenst zijn huidig HPLC toestel te vervangen aangezien het steeds meer gebreken vertoont, geen productidentificatie toelaat, een lage gevoeligheid heeft, niet gekoppeld kan worden met de elektrochemische reactoren voor in-line detectie en niet meer ondersteund wordt door de fabrikant. Het onderzoek binnen ELCAT situeert zich in het domein van de elektrochemie en industriële elektrificatie. Voor de ontwikkeling van elektrochemische reactoren en katalysatoren is het van uitermate belang dat we alle producten in het reactiemengsel kunnen identificeren en kwantificeren. Zo niet is het niet mogelijk om de bestudeerde elektrochemische processen te evalueren en verbeteren. Aangezien ELCAT een jonge onderzoeksgroep is met een sterke exponentiële groei in de laatste jaren, is de druk op de beschikbare huidige analytische toestellen groot. Dit vertraagt niet alleen het huidige onderzoek, maar heeft ook een impact op toekomstige onderzoeksprojecten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Altantzis Thomas
• Co-promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het doet van dit project is om verschillende (katalytische) technologieën te ontwikkelen voor de productie van CO als chemische component via de conversie vanuit CO2. De verschillende technologieën zullen vergeleken worden om hun potentieel te evalueren, en om veelbelovende strategieën te definiëren voor verdere ontwikkeling en opschaling. Concrete doelen en criteria De efficiëntie/productiviteit van bestaande homogene katalytische systemen voor CO2 reductie tot CO zullen verzameld en geëvalueerd worden om de meest veelbelovende systemen te identificeren en om manieren te gaan zoeken om zijn grootschalige toepassing te bevorderen via een gedetailleerd onderzoek naar katalysatoren. De focus zal liggen op kobalt en nikkel systemen met N-heterocyclische carbeen componenten als ligand. Het doel van de heterogene katalytische conversie van CO2 naar CO is de mogelijkheid om de oxidatieve propaan dehydrogenatie reactie met CO2 als zacht oxidant na te gaan. Het belangrijkste doel hier is de focus op het maximaliseren van de CO2 reductie en CO vorming via nieuwe katalysatorsynthese, oppervlakte engineering en onderzoek naar de katalysatorsupport. In het domein van de elektrokatalytische conversie van CO2 naar CO wordt er gemikt op (1) ontwikkeling van metaal-gebaseerde elektrodes (elektrokatalysator geïntegreerd in gas diffusie elektrode) met verhoogde stabiliteit, (2) het onderzoek naar nieuwe types metaal-vrije elektrokatalysatoren dewelke de huidige uitdagingen waargenomen met N-gedopeerde koolstof kunnen voorkomen en (3) de demonstratie van de continue productie van CO vanuit CO2 via de ontwikkeling van een prototype reactor op laboschaal waarin de meest performante elektrokatalysatoren ontwikkeld in dit project zijn opgenomen. Een ander doel van dit project is het voorzien van een proof-of-concept voor de CO2 conversie tot CO via plasma op een energiezuinige manier gebruik makend van enkel zonlicht als energiebron bij omgevingsdrukken. Het doel van de plasma katalytische route voor de CO productie is het verhogen van de conversie en energie-efficiëntie van de CO2 conversie in verschillende plasmareactor types, met focus op de Gliding Arc plasma en de Nanosecond pulsed discharges (NPD) plasmareactoren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project website

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Om de effecten van de opwarming van de aarde te beperken, is er een hoge nood aan de introductie van CO2 captatie technologieën. De hoge kost en technologische limitaties van de beschikbare CO2 scheidingstechnologiën beperken echter hun succesvolle en algemene industriële implementatie in de CCU context. In dit kort project, trachten we een nieuwe en efficiëntere, duurzame en economisch haalbare CO2 captatie en scheidingstechnologie te ontwikkelen. Verschillende routes zullen onderzocht worden om dit doel te bereiken: (1) Intensificatie van massa en warmtetransfer processen tijdens CO2 captatie worde beoogd via het gebruik van een vortex eenheid en een fotochemische aerosol reactor. (2) Elektrificatie van het CO2 captatie proces gebruik makend van microgolf en inductieve verwarming zal geïmplementeerd worden om snellere en efficiëntere scheidingscycli te ontwikkelen. (3) De integratie van CO2 captatie en conversie is voorzien gebruik makend van captatie op basis van alkalische media in combinatie met elektrochemische conversie van CO2 in chemicaliën. Experimentele testtoestellen zullen ontwikkeld en/of aangepast worden om deze nieuwe concepten te onderzoeken. Modellen zullen opgebouwd worden dewelke toestaan dat deze nieuwe technologieën kunnen onderzocht worden qua efficiëntie. Op het einde van het project zouden valkuilen moeten gekend zijn en zouden oplossingen om deze te voorkomen voorgesteld moeten zijn. Het zal onderzocht worden welke technologieën potentieel hebben voor verdere industriële implementatie en welke specifieke CO2 captatie niches als doel moeten genomen worden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De huidige CO2-problematiek vormt een van de grootste wetenschappelijke uitdagingen voor onze huidige generatie. Een mogelijke strategie is om H2O en CO2 te gebruiken als duurzame grondstoffen, in combinatie met hernieuwbare elektriciteit, voor de productie van brandstoffen en chemicaliën. In dit doctoraatsproject zal CO2 elektrochemisch omgezet worden tot mierenzuur. Momenteel is dergelijke conversie van CO2 nog niet industrieel haalbaar, voornamelijk door een gebrek aan stabiliteit van de technologie in ontwikkeling. Hoewel momenteel zeer veel onderzoek wordt gedaan, blijft de stabiliteit van frequent onderzochte katalysatoren (bimetallische nanodeeltjes) ontoereikend. In dit project stellen we voor om deze stabiliteit te verbeteren door het gebruik van een innovatief dragermateriaal. Hiertoe zullen state-of-the-art bimetallische katalysatoren gecombineerd worden met poreuze koolstofgebaseerde supports. Door deze katalysatoren in de structuur van het dragermateriaal in te werken, zal de agglomeratie en het verlies van nanodeeltjes verminderen en dus de stabiliteit significant toenemen. Verder zal ook het effect van het doteren van deze koolstofmaterialen met vreemde elementen (bijvoorbeeld N, B, P) op de CO2 reductie onderzocht worden. Ten slotte zal door de karakterisatie en evaluatie van zowel de katalysator als het dragermateriaal de fundamentele rol van de support ontrafeld worden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Van Daele Kevin

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het doel van het project is de ontwikkeling van een elektrodepositie-proces voor de recyclage van edele metalen uit afval voortkomend uit de elektronica industrie. Het beoogde milieuvriendelijk chemisch extractie proces op kleine tot medium grote schaal moet kostbare grondstoffen meer efficiënt aanwenden door middel van recyclage. De focus zal de recyclage van grondstoffen uit end-of-life producten zijn door via hydrometallurgische route goud, zilver en PGM metalen te extraheren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

BASF is wereldwijd de grootste multinational in de chemische sector en in België gevestigd in de Antwerpse haven. De vestiging omvat onder andere de grootste ethyleenoxide (EO) productieafdeling in Europa. Het huidige EO-productieproces verloopt via katalytische oxidatie. Hierbij verbrandt echter een substantieel deel van de voeding tot CO2. Gedreven door de ontwikkelingen op klimatologisch vlak en de te verwachten heffingen op broeikasgassen staan milieubelastende processen onder druk en wordt de omschakeling naar groenere processen gestimuleerd. Zo werd onder andere een actieplan van de EU in het leven geroepen om de opwarming van de aarde af te remmen en onder de 2°C grenswaarde te houden. Het plan stelt dat 40% afslanking van de broeikasgasuitstoot, 27% verhoging van de energie-efficiëntie en 27% verhoging van de groene stroom gerealiseerd moeten worden voor 2030. BASF volgt deze filosofie en werkt toe naar een CO2 vrije groei tegen 2030. Het bedrijf wil zich dan ook inzetten voor de ontwikkeling van een groen EO productieproces en is daarom samen met de ART onderzoeksgroep het engagement aangegaan voor de uitwerking van een Baekeland project. Een elektrosynthese methode biedt de mogelijk om een CO2 vrije productie van EO te realiseren. Elektrochemische processen verlopen doorgaans bij veel lagere temperaturen (< 100°C), waardoor verbrandingsreacties, en bijgevolg de CO2 uitstoot, volledig vermeden kan worden. De laatste decennia heeft de elektrochemische technologie grote stappen voorwaarts gemaakt onder impuls van nieuwe technieken en inzichten op vlak van materiaaltechnologie, oppervlakte-engineering, membraan-technologie en gasdiffusie-elektroden (GDE). Dergelijke innovaties zijn nog nooit eerder onderzocht binnen de context van elektrochemische EO-productie. Dit Baekeland project onderzoekt daarom of innovatieve katalysatoren in geoptimaliseerde reactiecondities en reactorgeometrie in combinatie met het gebruik van state-of-the-art gasdiffusie-elektroden en membranen het mogelijk maken om EO rendabel te produceren via elektrochemische oxidatie, met als doel om na te gaan of dit proces voldoende draagkrachtig is om op industriële schaal toe te passen als een valabel, groen alternatief voor de huidige thermokatalytische oxidatie van ethyleen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Hereijgers Jonas
• Mandaathouder: Schalck Jonathan

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project website

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit project heeft als doel om een actieve passieve sampler van laboratoriumprototype tot bruikbaar en getest (in het veld) prototype te brengen. In tegenstelling tot klassieke passieve bemonstering, is het ontwerp onafhankelijk van de hydrodynamische stroom van het water. Het grote valorisatiepotentieel ligt in de vervanging van biota-bemonstering en mogelijkheid tot standaardisatie wereldwijd.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Blust Ronny
• Co-promotor: Bervoets Lieven
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Weyn Maarten

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Functionalisatie van inerte koolstof-waterstof (C-H) bindingen is een belangrijke reactie voor de chemische industrie. Het inbrengen van functionele groepen (bijvoorbeeld van een zuurstof-, stikstof of zwavelatoom) in een overwegend inerte molecule is noodzakelijk voor het maken van meer complexe moleculen bestemd voor de fijnchemicaliënindustrie. Organische moleculen bevatten echter verscheidene C-H bindingen (meest voorkomende binding in organische moleculen) en het selectief functionaliseren van een specifieke C-H binding is bijgevolg zeer moeilijk te verwezenlijken met chemische agentia. Er is dan ook nood aan nieuwe chemoselectieve C-H functionalisatiemethoden om organische syntheseroutes efficiënter en duurzamer (minder afvalstromen) te maken. Elektrosynthese is een veelbelovend alternatief, maar gaat momenteel nog gebukt onder lage chemoselectiviteit. Door het toevoegen van een homogene katalysator (redoxmediator) kan dit probleem overwonnen worden. Het gebruik van een redoxmediator vereist echter een elektrochemische activatiestap. Tot nog toe werd deze stap uitgevoerd met inerte elektrodes (e.g. glassy carbon) en bijgevolg zijn de processen energie-intensief en de opbrengst erg laag. Daarnaast zijn grote hoeveelheden redoxmediator nodig. Daarom is er een sterke vraag naar verbeterde elektrokatalytische materialen in combinatie met meer actieve redoxmediatoren. Dit onderzoeksproject heeft als doel de ontwikkeling van nieuwe elektrokatalytische materialen om de ladingsoverdracht naar de redoxmediator te verbeteren bij de breking van de C-H binding in organische substraten. Om dit doel te bereiken wordt een stapsgewijze aanpak voorgesteld om een geoptimaliseerde elektrokatalysator voor de ladingsoverdracht naar de redoxmediator te bekomen. In een eerste stap worden bulkelektrodematerialen gescreend naar hun elektrokatalytische activiteit. In een tweede stap wordt de activatiebarrière van de redoxmediator verder verlaagd door (i) gedispergeerde nanopartikels te ontwikkelen en (ii) gebruik te maken van legeringen door een tweede of derde metaal te introduceren. Aangezien de redoxmediator een sleutelrol heeft in de succesvolle implementatie van C-H-bindingfunctionalisatie zullen verscheidene redoxmediatoren in combinatie met de ontwikkelde elektrokatalysatoren onderzocht worden. Als casestudie zal de electrochemische C-H oxygenatie onderzocht worden met behulp van quinuclidine als mediator. Om dit onderzoek tot een goed einde te brengen, zal de expertise met betrekking tot elektrokatalyse van de onderzoeksgroep ART gecombineerd worden metorganische synthese, kennisdomein van de onderzoeksgroep ORSY.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Maes Bert
• Mandaathouder: Vorobjov Filip

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Recente ontwikkelingen in het verlengen van het lichtabsorptiebereik van titania (TiO2) in het zichtbare gebied heeft geresulteerd in een nieuw materiaal, d.w.z. zwart TiO2 met een bandgap van ongeveer 1,5 eV. Zwart TiO2 is een veelbelovende kandidaat voor foto- (elektro) katalyse onder bijna-infraroodlicht vanwege de smalle bandgap en de verbeterde elektronische geleidbaarheid, waaraan slechts beperkte aandacht is besteed om het te gebruiken als foto-elektrochemische sensor. Het gebruik van foto-elektrokatalysatoren in stationaire elektrochemische systemen wordt vaak geconfronteerd met vergiftigingsverschijnselen als gevolg van het gegenereerde product dat de elektrochemische detectie ernstig beïnvloedt. Om de recycleerbaarheid van de foto-elektrokatalysator te verbeteren, is een flow photo-elektrochemische cel de beste keuze vanwege de voortgezette beweging van een drageroplossing naar het elektrodeoppervlak. De combinatie van een stroomcel en een elektrochemische opstelling integreert het voordeel van twee systemen zoals hoge-massadiffusie en veel lagere hoeveelheid monstervereisten, terwijl sterke signalen en een hoge detectiegevoeligheid worden gegarandeerd. De kerngedachte dit project is het synthetiseren en exploiteren van zwart(gereduceerde) titaniumoxide als een zeer zichtbaar lichtgevoelig materiaal in een stroomanalyse-opstelling om polyfenolen te detecteren via foto-elektrochemie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: De Wael Karolien
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Meynen Vera
• Mandaathouder: Rahemi Vanousheh

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Hernieuwbare energiebronnen kunnen een oplossing bieden voor de buitensporige uitstoot van broeikasgassen en voor de verwachte daling in de beschikbaarheid van fossiele brandstoffen in de nabije toekomst. Beide problemen zouden een gemeenschappelijke oplossing kunnen hebben als we in staat zouden zijn om een energie-efficiënt proces te ontwikkelen dat CO2 stromen kan omzetten in brandstoffen en waardevolle chemicaliën. Eén strategie zou zijn H2O en CO2 te gebruiken als hernieuwbare voeding voor de elektrochemische productie van brandstoffen en chemicaliën (bv. CO, mierenzuur, of methanol), daarbij gebruik makend van de overschotten aan elektriciteit, gegeneerd door hernieuwbare energiebronnen, om de reactie aan te drijven. Op dit moment, is de elektrochemische reductie van CO2 nog niet industrieel haalbaar, voornamelijk omwille van het gebrek aan een goede elektrokatalysator. In dit project gaan we op zoek naar een nieuwe hoog-performante CO2 reductie elektrokatalysator te gaan zoeken gebruik makend van een combinatie van state-of-the-art elektrochemie en hoogtechnologische TEM karakterisatie. Een belangrijk aspect om dit doel te bereiken ligt in de interactie tussen de gasdiffusie elektrode (morfologie en samenstelling) en de nieuwe elektrokatalysator.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Daems Nick

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het uiteindelijke doel van het project is het stimuleren van investeringen in en implementatie van Power-to-X technologieën door middel van de ontwikkeling van innovatieve directe en indirecte omzettingsprocessen voor de chemische industrie in de richting van hogere TRL's, gebruik makend van hernieuwbare energie en met een verlaging van de koolstofvoetafdruk als gevolg. Met deze technologieën, kunnen waardevolle brandstoffen en platformchemicaliën geproduceerd worden van hernieuwbare materialen terwijl de kost verlaagd en de flexibiliteit verhoogd wordt. Het doel is om op zijn minst twee piloot demonstratieopstellingen (TRL 6-7) en twee laboschaal pilootinstallaties (TRL 4) te ontwikkelen samen met de uitvoering van ondersteunende haalbaarheidsstudies om dus het investeringsrisico voor bedrijven, in het bijzonder voor kmo's, te verlagen en ook om de 2 Zeeën regie te positioneren als een innovatieleider op vlak van duurzame Power-to-X technologieën.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Climate change and global warming has become a growing threat to our world, where the carbon dioxide emisisons are believed to be a major contributor. In order to serve the society and environment, the Sustainable Chemistry department of VITO has been focusing since recent years on CO2 valorization, mainly on the development of conversion technologies. In the meantime, new insights in the techno-economic challenges within the value chain has led to the definition of new technological approaches, which also include CO2 capture and its integration with the conversion towards organic acids and alcohols and further downstream processing of the post-reaction mixture.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Gutiérrez Oriol

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Processen in energietoepassingen en katalyse, zowel als biologische processen, worden steeds belangrijker door de toenemende aandacht in de samenleving voor duurzame energiebronnen en technologieën. Voor een grondig begrip van deze processen, moeten we ze kunnen volgen tot op nano- of atomaire schaal. Transmissie elektronenmicroscopie (TEM) is hiervoor de optimale techniek, maar in zijn conventionele opstelling is het nodig dat het studieobject in ultrahoog vacuüm wordt geplaatst, wat de studie van processen onmogelijk maakt. Binnen deze aanvraag stellen we daarom voor om de studieobjecten met behulp van omgevingshouders in een gas/damp of vloeistofomgeving in de microscoop te plaatsen (en dit bij verschillende temperaturen). Op deze manier wordt beeldvorming, spectroscopie en diffractie van processen in reële tijd mogelijk. Deze infrastructuur zal verschillende onderzoeksgroepen binnen de Universiteit Antwerpen toelaten om innovatieve experimenten en vernieuwend onderzoek uit te voeren waarvoor de kennis van processen en interacties nodig is, zoals de interactie van vaste stoffen met gassen/dampen of vloeistoffen voor katalyse, de processen die voorkomen bij het laden en ontladen van batterijen, de nucleatie en groei van nanodeeltjes en de gedetailleerde ontrafeling van intracellulaire pathways in biologische processen relevant voor toekomstige cel-gebaseerde therapieën.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Hadermann Joke
• Co-promotor: Bals Sara
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Meynen Vera
• Co-promotor: Sijbers Jan
• Co-promotor: Verbruggen Sammy

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het hoofddoel van het project is de ontwikkeling van technologieën voor de omzetting van CO2 in chemicaliën met toegevoegde waarde met behulp van katalyse en hernieuwbare energie. Om de verschillende technologiën te benchmarken, vergelijken en ontwikkelen werd de synthese van mierenzuur gekozen als initiële doelmolecule.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Hernieuwbare energiebronnen zullen in de toekomst aan belang winnen. Het gebruik van CO2 als grondstof in combinatie met de toevoer aan hernieuwbare energie, maakt het mogelijk om de fluctuaties in energieproductie op te vangen en tegelijkertijd de CO2-uitstoot te verminderen. In dit onderzoek zal CO2 elektrochemisch omgezet worden tot CO. Vandaag de dag is de elektrochemische reductie van CO2 (ERC) nog niet rendabel op industriële schaal door het gebrek aan efficiënte elektrokatalysatoren. In het verleden zijn al verschillende onderzoeken verricht naar het verbeteren van de elektrokatalytische activiteit, selectiviteit en stabiliteit met tegelijkertijd een daling in de totaalkost van de elektrokatalysator. De laatste jaren winnen core-shell nanopartikels (NPs) aan belang en worden beschouwd als mogelijke vervangende elektrokatalysatoren door hun hoge productselectiviteit, maar tot op vandaag kampen deze elektrokatalysatoren nog met een lage productiviteit. De bimetallische versterkingseffecten zouden aan de basis liggen van de verhoogde performanties verkregen met core-shell NPs in vergelijking met de individuele metalen. Fundamentele inzichten in de core-shell interacties ontbreken nog steeds omdat deze structuren zeer weinig bestudeerd zijn in vergelijking met andere elektrokatalysatoren. De karakterisatie van deze structuren, het belangrijkste onderzoeksdoel van deze doctoraatsstudie, is dan ook van zeer groot belang om inzichten te krijgen in het verband tussen de morfologie, structuur, samenstelling en de elektrokatalytische eigenschappen, wat op zijn beurt zorgt voor een verbetering in de ERC performantie. Het gebruik van state-of-the-art elektrochemie gecombineerd met elektrontomografie zal het mogelijk maken om deze inzichten te verwerven.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Bals Sara
• Mandaathouder: Pacquets Lien

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De wereldwijde vraag naar energie neemt alsmaar toe. Op het gebied van CO2-uitstoot betekent dit grote uitdagingen. De uitstoot van CO2 dient immers beperkt te worden ondanks deze vraag naar energie. Bijgevolg is er dan ook een transitie aan de gang naar hernieuwbare energiebronnen. Het merendeel zal echter bestaan uit zonnepanelen en windmolenparken. Deze groene energiebronnen hebben als groot nadeel dat ze een continue energieproductie niet kunnen garanderen. Bijgevolg zijn methoden voor energieopslag noodzakelijk. Daarnaast wordt verwacht dat, ondanks deze groene alternatieven, de CO2-uitstoot alsnog met 0,9% jaarlijks gaat toenemen. Om aan deze problemen tegemoet te komen, wordt in deze IOF-SBO aanvraag voorgesteld om een industriële CO2- electrolyzer te bouwen welke toelaat om CO2 terug om te zetten in brandstoffen en chemicaliën.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Climate change and global warming has become a growing threat to our world, where the carbon dioxide emisisons are believed to be a major contributor. In order to serve the society and environment, the Sustainable Chemistry department of VITO has been focusing since recent years on CO2 valorization, mainly on the development of conversion technologies. In the meantime, new insights in the techno-economic challenges within the value chain has led to the definition of new technological approaches, which also include CO2 capture and its integration with the conversion towards organic acids and alcohols and further downstream processing of the post-reaction mixture.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het laatste decennium is nanotechnologie voor elektrochemische katalyse extreem belangrijk geworden. Nanopartikels op zich vormen echter nog geen elektrode. Bijgevolg is steeds een afzetting op een elektrisch geleidende dragerstructuur noodzakelijk. Voor de fabricatie van elektrodes wordt momenteel de voorkeur gegeven aan vlakke dragerstructuren omdat deze het minste problemen geven m.b.t. de afzetting van de nanopartikels. Vlakke dragerstructuren zijn echter niet de beste geometrie om een elektrochemisch proces zo efficiënt mogelijk te laten verlopen. Tubulaire dragerstructuren daarentegen resulteren in een veel hogere oppervlakte-volume verhouding en vertonen snellere massatransport omwille van een optimalere stromingsverdeling. Een homogene spreiding bekomen van de nanopartikels in de poriën van niet-vlakke dragerstructuren is echter een complex gegeven. Bijgevolg is dit dan ook de volgende belangrijke te nemen stap. Het doel van dit project is om tubulaire dragerstructuren te ontwikkelen en ze uniform te coaten met elektrokatalytische nanopartikels.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Hereijgers Jonas
• Co-promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Elektronentomografie is een zeer krachtige techniek die toelaat om de 3-dimensionale structuur van nanomaterialen te onderzoeken, ook op atomaire schaal. Echter, nieuwe ontwikkelingen binnen de nanotechnologie versterken de vraag naar nog meer geavanceerde kwantitatieve 3-dimensionale karakteriseringstechnieken die kunnen gebruikt worden om complexe (hetero-)nanostructuren te bestuderen. Binnen dit project zullen we ons toespitsen op hetero-metallische deeltjes met elektrokatalytische toepassingen en kern-schil structuren die van belang zijn binnen de fotokatalyse. Katalytische hetero-nanodeeltjes vertonen sterk verbeterde eigenschappen in vergelijking met nanostructuren die maar uit 1 element bestaan, maar de fundamentele reden voor dit geoptimaliseerd gedrag is nog niet helemaal duidelijk. Om het verband tussen de structuur, samenstelling en katalytische eigenschappen te begrijpen, is innovatieve 3-dimensionale elektronenmicroscopie vereist. Binnen dit project zullen we daarom geavanceerde, aberratie-gecorrigeerde elektronenmicroscopie combineren met nieuwe 3 dimensionale reconstructie algoritmen om zo de structuur en samenstelling van nanomaterialen te kwantificeren. De combinatie van deze baanbrekende experimenten met activiteit en stabiliteitsmetingen zal ons toelaten om cruciale vragen te beantwoorden die zowel belangrijk zijn voor elektro- en fotokatalyse. Op basis van deze unieke inzichten kunnen we de activiteit van de katalytische nanostructuren sterk verbeteren. We verwachten dan ook dat de resultaten van het project enorme impact zullen hebben. Zo kunnen fundamentele inzichten betreffende plasmonica, de fotokatalytische prestaties in zonlicht verbeteren. Dit is van enorm belang bij de ontwikkeling van een betere luchtzuiveringstechnologie. Een gefundeerde selectie van katalysatoren zal ons verder in staat stellen industrieel toepasbare reacties zoals de reductie van CO2 of zuurstofreductie sterk te verbeteren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Bals Sara
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Lenaerts Silvia

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit project beoogt de ontwikkeling van een generisch platform voor elektronparamagnetische resonantiespectroscopie (EPR) om inzicht te verwerven in elektrokatalytische reactiemechanismen. Het platform laat toe om parameters zoals reactiekinetiek, massa-overdracht, reactiemechanisme, ... te ontrafelen. Voor de ontwikkeling van dit platform focussen we ons op één bepaalde casestudie, namelijk de reductie van benzylbromide.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Van Doorslaer Sabine

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

lHet laatste decennium is het gebruik van nanotechnologie in de elektrochemische katalyse extreem populair geworden. Nanopartikels vormen echter nog geen elektroden. Afzetting van dergelijke partikels op een geleidende dragerstructuur is noodzakelijk. Vlakke dragerstructuren zijn momenteel de meest gebruikte geometrie omdat een vlakke geometrie gepaard gaat met de minste complicaties tijdens de depositie. Vlakke dragerstructuren zijn echter niet de meest optimale geometrie om het proces zo efficiënt mogelijk te laten verlopen. Driedimensionale (3D) dragerstructuren resulteren in een veel groter contactoppervlak en wanneer de geometrie geordend is, kan het massatransport en de stromingsverdeling geoptimaliseerd worden. Uniforme depositie van de nanopartikels in poriën van dergelijke niet-vlakke dragerstructuren is echter een complexe zaak omwille van het vertraagde massatransport in de poriën. Het afzetten van de nanopartikels in zijn gewenste vorm op 3D-dragerstructuren is dan ook geïdentificeerd als één van de volgende uitdagingen. Het doel van dit project is om geordende 3D-dragerstructuren te ontwikkelen en uniform te coaten met elektrokatalytische nanopartikels. Om dit doel te bereiken worden drie onderzoeksvragen onderzocht: (1) wat is de impact van de geometrie van de dragerstructuren op de uniformiteit van de depositie; (2) wat is de impact van de geometrie van de dragerstructuren op de efficiëntie van het elektrochemische proces; (3) wat is de impact van de positie van de elektrodes in de elektrochemische reactor.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Hereijgers Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Moderne materialen worden ontworpen om bepaalde functies uit te voeren bij een zo laag mogelijke productiekost. Deze trend verschuift de aandacht van het ontwerp van bv. het sterkste materiaal naar een voldoende sterk materiaal bij gebruik van een acceptabele hoeveelheid natuurlijke rijkdommen. De combinatie met de nanorevolutie waarbij eigenschappen van materialen steeds vaker afhangen van hun structuur op nanoschaal, vereist wetenschappelijke instrumenten die deze zgn. zachte materialen kunnen onderzoeken. Dit is typisch een opdracht voor transmissie elektronenmicroscopie (TEM) die een beeld geeft van de atomaire opbouw van materialen. Een nadeel van TEM is echter dat het beeldvormingsproces aanleiding kan geven tot het beschadigen van het materiaal, waardoor de analyse onbetrouwbaar of zelfs onmogelijk wordt. Om dit te verhelpen stellen we de aanschaf van een elektronendetector voor die op efficiënte wijze elk elektron kan detecteren waardoor de elektronendosis met bijna een factor 100 kan worden verlaagd. Deze vooruitgang verbreedt aanzienlijk het toepassingsgebied van TEM voor de studie van zachte materialen wat toelaat hun structuur te visualiseren tot op atomaire schaal.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Verbeeck Johan
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Cool Pegie
• Co-promotor: Lenaerts Silvia

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De concentratie van CO2 in de atmosfeer is in de laatste decennia sterk toegenomen. Door de doelstellingen vooropgesteld door Europa is de afname van CO2 van cruciaal belang voor zowel de industrie als de onderzoekswereld. Bijgevolg focussen we in dit project op de elektrochemische reductie van CO2. Opdat dit procedé echter ooit kosteneffectief en industrieel toepasbaar kan worden, is het verlagen van de hoge overpotentiaal voor de elektrochemische reductie van CO2 noodzakelijk. Dit verplaatst het probleem naar de wereld van elektrokatalyse. In het bijzonder zullen de katalytische eigenschappen van bimetallische Cu/Ag core-shell nanopartikels op de reductie van CO2 naar waardevolle C1-C3 koolwaterstoffen onderzocht worden. Elektrochemische metingen zullen inzicht verschaffen in het reactiemechanisme en deze informatie zal aangewend worden in de elektrodepositie van de nanopartikels en toelaten om hun core-shell morfologie te optimaliseren. Daarnaast wordt in dit project de vorming van deze elektrokatalysatoren gecombineerd met de ontwikkeling van een continue elektrochemische membraanmicroreactor (integratie van zowel elektrodestructuur als celopbouw). We zijn ervan overtuigd dat deze gecombineerde aanpak de volgende stap betekent in een verdere industriële vertaling van de reductie van CO2 tot brandstoffen en chemische bouwstenen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Bogaerts Annemie
• Co-promotor: Meynen Vera
• Mandaathouder: Vervecken Robbe

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het project ontwikkelt een actieve passieve water sampler voor anorganische en organische polluenten. Het apparaat is bedoeld voor de tijdsgeïntegreerde monitoring van oppervlaktewater en afvalwaterstromen, waarbij een gecontroleerde waterflux over een array van sorbenten wordt gestuurd die verschillende klassen van polluenten accumuleren. De operationele en kinetische karakteristieken van de sampler worden experimenteel bepaald en de resultaten vergeleken met biota in het labo en veld.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Blust Ronny
• Co-promotor: Bervoets Lieven
• Co-promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Weyn Maarten

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Op voorstel van de Universiteit, kent de Francqui-Stichting elk jaar twee Francqui-Leerstoelen toe aan de UAntwerpen. Deze zijn bedoeld om de uitnodiging mogelijk te maken van een Professor van een andere Belgische Universiteit of uit het buitenland, voor een reeks van tien lesuren. De Francqui-Stichting betaalt aan de titularis van een Francqui-Leerstoel het honorarium voor deze tien lessen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit project beoogt de ontwikkeling van een generisch platform voor elektronparamagnetische resonantiespectroscopie (EPR) om inzicht te verwerven in elektrokatalytische reactiemechanismen. Het platform laat toe om parameters zoals reactiekinetiek, massa-overdracht, reactiemechanisme, ... te ontrafelen. Voor de ontwikkeling van dit platform focussen we ons op één bepaalde casestudie, namelijk de reductie van benzylbromide.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Co-promotor: Van Doorslaer Sabine

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De laatste jaren wordt veel onderzoek gevoerd naar propere, economische en milieuvriendelijke productiemethoden in de organische synthese. Een mogelijke piste om hieraan tegemoet te komen, is het gebruik van de elektrochemie voor organische syntheses. Elektrochemische syntheses zijn doorgaans sneller, geven aanleiding tot minder afval, leveren goedkopere eindproducten en vereisen minder hulpstoffen. Een groot nadeel is echter dat de meeste elektrosynthetische processen een erg negatieve elektrodepotentialen nodig hebben waardoor ze (omwille van hun hoge energiekost) niet geschikt zijn voor industriële productieprocessen. Pogingen om die hoge overpotentialen te verminderen richten zich in de eerste plaats op het verbeteren van de katalytische activiteit van de elektrodematerialen. In dit onderzoeksproject zal de link onderzocht worden tussen de morfologie van het katalysemateriaal en het reactiemechanisme van de elektrosynthese. In een eerste fase zullen nanopartikels van overgangsmetalen elektrochemisch afgezet worden en zal het effect van hun morfologie (grootte van de deeltjes, porositeit, …) op het elektrochemische reactiemechanisme bestudeerd worden. Door middel van elektrochemische depositie kunnen nanopartikels met een hoge selectiviteit gesynthetiseerd worden waardoor het mogelijk is om de morfologie van de nanoclusters aan te passen door de samenstelling van het elektrolyt en de depositieparameters te wijzigen. In een tweede stap zullen core-shell elektrokatalysatoren vervaardigd worden waarbij het meest actieve elektrodemateriaal uit stap 1 als shell-materiaal zal gebruikt worden. Deze elektrokatalysatoren bestaan uit een core-metaal bedekt met een of enkele atomische lagen van een tweede shell-materiaal. Ze zijn hier interessant omdat verschillende energetische effecten hun katalytische activiteit verhogen. Als casestudie wordt het mechanisme onderzocht van de elektrokatalytische reductie van organische halogenides. Omwille van de sterke invloed van het kathode-oppervlak op de intermediairen van de reactie worden metalen als Ag, Cu, Pd, Ni, Pt en Au geselecteerd. Drie molecules met een enkelvoudige C-X verbinding worden onderzocht: benzylchloride, benzylbromide en benzyljodide. De verschillende substituenten in deze moleculen zullen de correlatie aantonen van de invloed van de specifieke adsorptiemechanismes op het elektrode-oppervlak van het reactiemechanisme.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom
• Mandaathouder: Vanrenterghem Bart

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project website

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het doel van het project is de bouw van een generisch microreactorplatform voor zowel plasma als elektrochemische toepassingen. De werkpakketten bestaan uit (i) de opbouw van een microreactor platform, (ii) een studie naar de invloed van katalyse en "gap-grootte" bij de destructie van NOx in een plasma microreactor, en (iii) een studie naar een elektrochemische aldolcondensatie van aceton naar mesityloxide in een elektrochemische microreactor.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Verhulst Kristof
• Co-promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De productie van organische chemicaliën door elektrosynthese kan de reactie efficiëntie drastisch verhogen. In dit project zal een prototype reactorsetup gebouwd worden om de omvorming van klassieke chemische naar elektrochemische reactiemechanismen te vergemakkelijken. De modulaire reactor setup biedt een ideaal platform om elektrosynthese reacties te ontwikkelen en kennis over te dragen naar toekomstige vervolgprojecten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Corrosie is een proces dat plaatsgrijpt via een fysicochemische reactie tussen een materiaal en zijn omgeving en dat de eigenschappen van het materiaal drastisch kan veranderen. In de meeste gevallen is corrosie ongewenst en veroorzaakt het behoorlijk wat schade en ongemakken. Corrosie is bovendien een wijdverspreid probleem dat zich in vele sectoren voordoet. De markten waarin de resultaten van dit project nuttig zijn, zijn dan ook legio. Daarom focust dit project zich op een welafgelijnd deelgebied: de conversielagen. Conversielagen zijn deklagen die ontstaan door een reactie tussen het metaaloppervlak en een oplossing. Ze schermen het metaal af van de omgeving en bieden zo een corrosiebescherming. Bekende voorbeelden hiervan zijn anodisatie-, fosfatatie- of chromatatielagen. Een methode die in de wetenschappelijke wereld algemeen wordt aanvaard om de corrosebescherming van die deklagen te bestuderen, is Elektrochemische Impedantie Spectroscopie (EIS). Op onderzoeksvlak werd door de onderzoekspartners de laatste jaren sterk geïnvesteerd in het op punt stellen van een methode voor het betrouwbaar opmeten van corrosiebescherming aan de hand van een nieuwe techniek, nl. multisine elektrochemische impedantiespectroscopie (ORP-EIS). Als resultaat werd een omvangrijke expertise opgebouwd op het vlak van techniekontwikkeling en werd een uitgebreid gamma aan corrosiesystemen gescreend met deze nieuwe, betrouwbare en snelle manier van impedantiespectroscopie. Met dit project beogen de onderzoekspartners de ontwikkeling van een intelligente softwaretool, die coatinginspectie, -selectie en –optimalisatie toelaat, gebaseerd op die nieuwe ORP-EIS techniek. Enerzijds situeert de output van dit project zich in het verkrijgen van een uitgebreide dataset aan ORP-EIS metingen onder een waaier van omstandigheden. Alle experimentele data zullen overzichtelijk gecatalogeerd worden in een databank. Anderzijds beoogt dit project de ontwikkeling van een intelligente zoekmachine. De ultieme valorisatie van dit project is de verspreiding van de ontwikkelde software naar de bedrijven uit de ruime doelgroep. Deze software kan hen helpen bij coatinginspectie, -selectie en –optimalisatie. De software zal ook voldoende generiek opgesteld worden, zodat later ook andere vormen van corrosie en corrosiebescherming kunnen opgenomen worden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

• Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Impedimetrische aptasensoren bestaan uit 2 sleutelelementen: een aptameer als biologisch herkenningselement en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) als detectietechniek. Dé uitdaging van EIS is echter de interpretatie van de bekomen data. Het doel van dit onderzoeksproject bestaat dan ook uit een rigoureuze analyse van die EIS-data, zowel voor wat hun betrouwbaarheid betreft als inzake de modelleringsprocedure van die experimentele data.

Onderzoeker(s)

• Promotor: De Wael Karolien
• Co-promotor: Breugelmans Tom

Onderzoeksgroep(en)

Project type(s)

• Onderzoeksproject