CleanH2

Bij het aanpakken van het “wicked problem” van duurzame ontwikkeling pakt CleanH2 een van de grootste zorgen van onze samenleving aan: hoe kunnen we een voortdurend groeiende vraag naar energie combineren met een aanzienlijke vermindering van onze ecologische voetafdruk? Zonne-energie is een niet-vervuilende en hernieuwbare bron en heeft het potentieel om duurzame energiesystemen aan te drijven en aan al onze energiebehoeften te voldoen. De diffuse en intermitterende aard van zonne-energie vereist echter een efficiënte oogststrategie in combinatie met een effectieve opslagmethode voor mogelijk gebruik op wereldwijde schaal. Het genereren van alternatieve chemische brandstoffen uit hernieuwbare energiebronnen via elektrochemische watersplitsing op basis van zonne-energie is een doorbraak en een van de grootste uitdagingen van deze tijd. CleanH2 zal de kritieke kwesties aanpakken om waterstofproductie groen, efficiënt en betaalbaar te maken via door zonne-energie aangedreven watersplitsing.

CLEANH2 is een interdisciplinair project op het snijvlak van materiaalwetenschap en chemie, vastestoffysica, elektrochemie, elektrische en stromingsprocestechniek en techno-economie. Het project bestrijkt de volledige waardeketen van (i) het ontwerp en de synthese van lichtproducerende en elektrokatalytische materialen, naar een optimale samenstelling en morfologie, (ii) het creëren van nieuwe syntheseroutes, terwijl de atoom- en energie-efficiëntie ervan wordt geëvalueerd, zodat de materiaaleigenschappen zoals lichtabsorptie, kristalfase, grootte, morfologie, porositeit, oppervlak, enz. kunnen worden gecontroleerd, (iii) diepgaande spectroscopische en microscopische karakterisering met behulp van speciale instrumenten om nieuwe inzichten te krijgen in de belangrijkste structuur-morfologie-functierelaties, (iv) de evaluatie van de functionele eigenschappen van het basismateriaal, hetzij als zonneabsorptiemateriaal en als elektrokatalysator in onafhankelijke componenten, (v) de integratie van de verschillende componenten samen met de membraanelektrode assemblage (MEA) tot een compleet door zonne-energie aangedreven watersplitsingssysteem, en ten slotte (vi) hun evaluatie in een echte operationele laboratoriumomgeving. We zullen de technisch-economische aspecten van elk van de ontwikkelingsstappen evalueren met betrekking tot materiaalselectie, productie en gebruik. CLEANH2 omvat dus synthetische scheikunde, materiaalkunde, apparatenfysica, fundamentele techniek en techno-economie. Deze interdisciplinariteit en complementariteit van expertises is de belangrijkste kracht van het huidige consortium, dat elkaar wederzijds versterkt om de ambitieuze doelen van CLEANH2 te bereiken.

CLEANH2 is een ambitieus project waarin elke promotor expertise levert die essentieel is voor de realisatie van het voorstel, in een sterk gecoördineerd karakter. CLEANH2 omvat de meest geavanceerde wetenschappelijke technieken en een krachtige synergie tussen 1) chemici voor het ontwerpen en synthetiseren van nieuwe stabiele en efficiënte zonne-oogstmachines en katalysatoren die rijk zijn aan aarde, 2) natuurkundigen voor het aanpakken van experimentele en theoretische problemen bij het beschrijven, karakteriseren, begrijpen en op maat maken van elektron-transfer en ladingstransportverschijnselen, 3) ingenieurs voor het meten en benchmarken van interessante parameters van de verschillende kritische subcomponenten en voor het evalueren van hun gezamenlijke gedrag en 4) economen voor economische analyse en milieueffectstudies. De copromotoren van het project zijn gekozen vanwege hun complementaire expertise en de goed functionerende infrastructuur waarover ze beschikken, waardoor ze elkaar wederzijds versterken, wat onmisbaar is om de CLEANH2-onderzoeksvragen te beantwoorden en de beoogde wetenschappelijke doorbraken te bereiken. Er zijn verschillende eerdere en bestaande samenwerkingsverbanden tussen de copromotoren die het project ten goede komen. CLEANH2 combineert de complementaire expertise van:
Prof. dr. Dirk Vanderzande, die samen met dr. ir. Laurence Lutsen (imec-imomec), een nieuw (10/2015) opgerichte onderzoeksgroep Hybrid Material Design (HyMaD) aan de UHasselt. De activiteiten richten zich op het ontwerp van echte hybride organisch-anorganische perovskieten, waarbij de organische component ontworpen is om opto-elektronische functionaliteit toe te voegen aan het materiaal. In de eerste plaats is het werk gericht op het onthullen van ontwerpregels voor dergelijke materialen, hun structurele karakterisering en optische eigenschappen. Voor het ontwerp van de organische bouwstenen steunt de groep op de uitgebreide ervaring van meer dan 25 jaar van de hoofdonderzoekers met het ontwerp van organische halfgeleiders voor LED-, transistor- en zonneceltoepassingen. Er bestaat een sterke samenwerking met prof. dr. Koen Vandewal op het gebied van geavanceerde optische karakterisering en fysische eigenschappen van materialen die in de groep zijn ontwikkeld. De bijdrage van HyMaD in CLEANH2 richt zich op het ontwerp en de synthese van perovskietmaterialen voor tandemzonneceltoepassingen.

Prof. dr. ir. Koen Vandewal die een jonge (01/2018) onderzoeksgroep leidt met als doel het oplossen van fundamentele vragen in organische, hybride en moleculaire elektronica met relevantie voor opto-elektronische apparaten zoals OLED’s, sensoren en zonnecellen. Hij staat bekend om zijn baanbrekende werk op het gebied van de karakterisering en beschrijving van ladingsoverdrachtstoestanden aan organische interfaces. In CLEANH2 zal prof. dr. K. Vandewal bijdragen met zijn expertise in de fabricage en karakterisering van dunnefilm fotovoltaïsche apparaten op basis van hybride perovskietmaterialen, evenals geavanceerde apparaatkarakterisering en apparaatfysica.

Prof. dr. An Hardy leidt samen met Prof. dr. M.K. Van Bael de groep MATCHEM DESINe. Ze is gespecialiseerd in de synthese van anorganische nanomaterialen met gecontroleerde (nano)structuur en samenstelling: oxiden, fosfaten, polyanionen, metalen en recentelijk sulfiden. Beheersing van natchemische syntheseroutes omvat waterige en niet-waterige sol(ution)-gel, hydro/solvothermisch, thermische decompositie, coprecipitatie. De DESINe-groep synthetiseert materialen voor gebruik in elektrochemische apparaten, waaronder lithium-ionbatterijen, natrium-ionbatterijen en Li-S-batterijen. Ze werkt samen met prof. dr. M. Safari in lopende projecten (VLAIO SBO project XL Lion, H2020 project Solidify). Ze begeleiden samen 5 promovendi en hebben gezamenlijke publicaties. Met CLEANH2 zullen hun gezamenlijke activiteiten zich uitbreiden van galvanische naar elektrolytische cellen.

Prof. dr. ir. Mohammadhosein Safari die de groep Engineering Materials & Applications leidt. Zijn onderzoek concentreert zich op fundamentele engineering van elektrochemische systemen zoals batterijen met een focus op poreuze elektrode engineering, ladingstransferkinetiek op reactieve interfaces, ladingstransport in ionische media en elektrochemische apparaten. Sinds hij in 2016 bij de UHasselt kwam, is hij sterk betrokken bij de ontwikkeling van de volgende generatie geavanceerde batterijen en neemt hij, samen met prof. dr. A. Hardy, de verantwoordelijkheid over de energieopslagactiviteiten van de UHasselt binnen EnergyVille. De samenwerking met prof. dr. R. Malina ging onlangs van start met een gezamenlijk begeleide doctoraatsstudent voor de technisch-economische modellering van batterijen in het slimme elektriciteitsnet.

Prof. dr. Robert Malina is directeur van het Centrum voor Milieukunde (CMK) en hoofd van de onderzoeksgroep Milieueconomie binnen het CMK aan de UHasselt. Zijn aandachtsgebieden zijn technisch-economische evaluaties van schone technologieën, in het bijzonder hernieuwbare energie. Prof. Malina brengt in het consortium zijn jarenlange ervaring in uitgebreide technisch-economische evaluaties die niet alleen rekening houden met economische aspecten binnen de technologieontwikkeling, maar ook met bredere maatschappelijke overwegingen. Bovendien heeft prof. Malina uitgebreide ervaring in projectwerk dat de grenzen van specifieke wetenschappelijke disciplines overschrijdt, in het bijzonder door samen te werken met ingenieurs, natuurkundigen en scheikundigen in discipline-overschrijdende consortia zoals voorzien voor CLEANH2. Prof. Malina heeft samengewerkt met de DESINe onderzoeksgroep in het INTERREG project EnOp, en met de Engineering Materials & Applications groep via gezamenlijke PhD begeleiding.

Geen van de copromotoren zou over de verschillende competenties, wetenschappelijke uitrusting, financiële en menselijke middelen hebben beschikt om dit project alleen, of op het niveau van één UHasselt-instelling, te leiden en tot een succes te brengen.