Gasdiffusie-elektrode voor CO2-elektrolyse
De elektrochemische omzetting van CO2 naar waardevolle moleculen of brandstoffen, zoals methanol, met behulp van groene elektriciteit, is cruciaal voor het herstellen van de koolstofcyclus in industrie en transport. Terwijl waterelektrolyse voor de productie van groene waterstof een bewezen technologie is, ondervindt de elektrolyse van CO2 uitdagingen op het gebied van doorvoer en katalysatorstabiliteit. Het Gas-Diffusion-Electrode (GDE) concept, dat compenseert voor lage CO2-oplosbaarheid, heeft beperkingen, waaronder stabiliteitsproblemen, beperkte stroomdichtheid en moeilijkheden bij opschaling vanwege drukbalansproblemen. Het overwinnen van deze uitdagingen is essentieel voor de vooruitgang van de technologie van groene waterstof naar de productie van groene koolstofhoudende moleculen (bijv. methanol) door elektrolyse.
Een baanbrekende innovatie in de elektrochemische omzetting van CO2 omvat de herontwerp van de nano-architectuur van de Gas-Diffusion-Electrode (GDE) tot een Gas-Diffusion Membrane-Electrode-Assembly (GD-MEA). De kerndoelstellingen zijn het bereiken van een hoge doorvoer (>1A/cm2) voor zowel verdunde als geconcentreerde CO2-bronnen, zorgen voor stabiele langetermijnwerking, en het creëren van een schaalbare en kosteneffectieve technologie. In eerste instantie ligt de focus op het demonstreren van deze doorbraken in de elektroreductie van CO2 naar syngas, als voorloper van methanol, e-brandstoffen en staal. Vervolgstappen zullen de technologie uitbreiden naar directe omzetting naar methanol of ethyleen.
De innovatieve aanpak omvat een deterministisch ontworpen nano-elektrode-architectuur waarbij elke katalytische site directe toegang heeft tot de gasfase via een dunne vloeibare sorptielaag. Dit ontwerp maakt schaalvergroting direct mogelijk met het effectieve oppervlak, waardoor compatibiliteit met verdunde CO2-bronnen mogelijk is. imec, een onderzoekscentrum, speelt een cruciale rol bij het ontwikkelen van de nanotechnologieblokken voor het ontwerpen en fabriceren van het apparaat. Het metalen ‘nanomesh’, zoals zilver of koper, met uitzonderlijke eigenschappen, waaronder een groot oppervlak (ongeveer 100x verbetering) en hoge porositeit (ongeveer 75%), staat centraal in deze technologie.
Het ‘nanomesh’, slechts enkele micrometers dik, evenaart de dikte van een typische katalysatorlaag op een koolstofdrager maar heeft een grotere geleidbaarheid en openheid met regelmatige ruimte voor efficiënte toegang van de katalysator en massatransport. De prestatievoordelen en schaalbaarheid werden gedemonstreerd met een nikkel katalytisch ‘nanomesh’ voor groene waterstof door het startende bedrijf Hyve. Een tweede sleutelelement omvat het functionaliseren van individuele nanodraden voor direct contact met gasfase tijdens elektrochemische reacties. Deze functionele coating vergemakkelijkt niet alleen gas-vloeistofdiffusie naar elke nanodraad, maar zorgt ook voor ionenkoppeling met het membraan. De belangrijkste technologische focus van het project omvat de ontwikkeling van deze coating en het assembleren van het katalytisch ‘nanomesh’ met een membraan in een gas-diffusie MEA, en in samenwerking met VITO wordt verwacht dat tegen 2025 een demo wordt geleverd.
