Onderzoeksgroep
Expertise
Mijn onderzoek richt zich op het bevorderen van elektrokatalytische strategieën voor de synthese van chemische energiedragers en producten met toegevoegde waarde die verder gaan dan H2-productie of CO2-reductie. Specifieke aspecten zijn het ontwerp, de implementatie en het mechanistisch onderzoek van op maat gemaakte moleculaire en materiaalgebaseerde elektrokatalysatoren, met name gericht op groep 9 en eerste-rij overgangsmetaalcomplexen, metaal-organische kaders en nanodeeltjes. Deze katalysatoren worden ontwikkeld voor atomaireconomische en energie-efficiënte elektrokatalytische hydrogenering van verschillende organische verbindingen, waaronder carbonyls, nitriles, onverzadigde koolwaterstoffen en aromaten, evenals bio-feedstock valorisatie, anodische elektro-epoxidaties, C-H oxidaties en stikstofactivering. Bij ELCAT onderzoek ik een combinatie van proces- en katalysatorontwikkeling met geavanceerde procesengineering in flowelektrolyzers om oplossingen te bieden die traditionele benaderingen, waarbij men zich uitsluitend richt op chemische ontwikkelingen of reactortechniek, niet kunnen bereiken. In-situ en ex-situ spectro-elektrochemische analyse (UV/Vis, EPR, NMR, Raman spectroscopie) begeleiden deze ontwikkelingen door middel van mechanistisch begrip, en helpen bij het beoordelen van actieve katalysatorsoorten tijdens operationele scenario's, evenals dynamische bereiken van productdistributies en tussenproducten in onze processen. Tot de beoogde toepassingen van mijn onderzoek behoren de ontwikkeling van volledig geëlektrificeerde vloeibare organische waterstofdragersystemen (LOHC) voor omkeerbare energieopslag en -levering, gekoppelde elektrolyseopstellingen voor co-generatie van anodische producten met toegevoegde waarde in plaats van OER voor de waterstofeconomie en geëlektrificeerde productie van stikstofmeststoffen met een minimale CO2-voetafdruk door middel van innovatieve processen.
Interface-engineered PTFE-gemodificeerde Ni-elektroden voor duurzame propyleenoxideelektrosynthese (E-epox of PO).
Abstract
De elektrokatalytische epoxidatie van alkenen is een veelbelovend en duurzaam alternatief voor conventionele oxidatieprocessen, waardoor onder milde omstandigheden selectief hoogwaardige epoxiden gevormd kunnen worden. Dit project richt zich op de ontwikkeling en evaluatie van geavanceerde metaalhydroxide katalysatoren en de functionalisering hiervan om elektro-epoxidaties met H₂O te faciliteren, waarbij tegelijkertijd H₂ kan worden geproduceerd uit de resterende protonen. Door systematische aanpassingen van de materiaalsamenstelling, morfologie en oppervlakte-eigenschappen zullen de structuur-activiteit relaties die bepalend zijn voor de katalytische activiteit, selectiviteit en stabiliteit geëvalueerd en geoptimaliseerd worden. Een centrale doelstelling is het identificeren van efficiënte en robuuste elektrokatalysatoren die in staat zijn om epoxidatiereacties met een hoge faradische efficiëntie en minimale overpotentiaal te laten plaatsvinden. De eerste screening zal plaatsvinden in batch-elektrolyse om de katalytische activiteit snel te beoordelen van een breed scala aan materialen. De invloed van belangrijke parameters zoals de samenstelling van de elektrolyt, de aangelegde spanning en het substraat zal worden onderzocht. De meest veelbelovende katalysatoren zullen worden doorontwikkeld voor continue-stroom-elektrolyse om een verbeterd massatransport, een betere controle over de reactieomstandigheden en de mogelijkheden voor procesintensivering en schaalbaarheid te creëren. Speciale nadruk zal worden gelegd op het ontwerp van de reactor, de architectuur van de elektroden en de lange termijn operationele stabiliteit onder industrieel relevante omstandigheden. Van de beoogde producten springt propyleenoxide eruit als een belangrijk industrieel tussenproduct met brede toepassingen in de productie van polymeren, geneesmiddelen en fijnchemicaliën. Door de ontwikkeling van katalysatoren te integreren met procestechniek wil het project bijdragen aan de vooruitgang van groene oxidatietechnologieën en schaalbare routes ontwikkelen voor duurzame epoxideproductie en goedkope waterstof door de gelijktijdige productie van verbindingen met toegevoegde waarde.Onderzoeker(s)
- Promotor: Halter Dominik
Onderzoeksgroep(en)
Financiering
- BOF
Project type(s)
- Onderzoeksproject
Gemixt valent dinucleaire nikkelhydroxidecomplexen als modelverbindingen voor H-atoomoverdracht elektrokatalyse aan Ni(OH)2/NiOOH-elektroden
Abstract
Waterstofatoomoverdracht (HAT) reacties zijn van fundamenteel belang voor elektrochemische energieopslag, power-to-X en X-to-power processen. Met name de oxidatie van alcoholen staat centraal in de ontwikkelingen, zowel voor het opwaarderen van biologische grondstoffen tot verbindingen met toegevoegde waarde als voor brandstofcellen. Inzicht op atomair niveau in de reactiemechanismen en elektronische structuren van de elektrokatalysatoren van dergelijke HAT-processen is essentieel om de katalytische efficiëntie te verbeteren en verder te gaan dan de huidige stand van de techniek. Nikkelhydroxide en de elektro-geactiveerde vorm, nikkeloxyhydroxide (Ni(OH)₂/NiOOH), zijn veelgebruikte katalysatoren voor elektro-oxidatieve HAT-reacties, maar hun structurele complexiteit en dynamische fase-gedrag maken een directe mechanistische analyse uiterst moeilijk. Om deze beperkingen te overwinnen en inzicht te krijgen in HAT-processen die worden gefaciliteerd door Ni-redox-mediatoren, ontwikkelt dit PhD-project nieuwe nikkelhydroxidecomplexen als moleculair model om de actieve sites van Ni(OH)₂/NiOOH elektrokatalysatoren na te bootsen. Meer bepaald monomeer- en dimeer complexen, waarmee de invloed van metaal-metaal interacties kunnen worden afgeleid. Deze moleculen maken in situ geavanceerde spectroscopie mogelijk om cruciale mechanistische inzichten te verkrijgen in elektronische structuren en elementaire reactiestappen van HAT-reacties op nikkelhydroxides. De specifieke doelstellingen van het doctoraatsproject zijn (1) de synthese van een nieuw ligandsysteem dat de synthese van zowel monomeer als dimeer Ni-complexen met waterstof "shuttling" zuurstof sites ondersteunt, (2) het synthetiseren van deze Ni-complexen, en vervolgens (3) het onderzoeken van hun elektrokatalytische reactiviteit en hun fysicochemische eigenschappen met behulp van röntgenkristallografie, spectroscopie (UV–vis, EPR, Raman) en elektrochemie. Tot slot (4) het samenbrengen van deze resultaten om de elektrochemische alcohol oxidatie te onderzoeken en verder te brengen dan de huidige stand van de techniek. Tot nu toe zijn de synthese, fundamentele karakterisering en basis reactiviteitsstudies met betrekking tot HAT-gedreven alcoholoxidatie al voltooid. Het doel van dit DOCPRO1-project is om in doelstelling (4) de oxidatie van benzylalcohol tot benzaldehyde volledig te ontrafelen en te begrijpen als een ideaal modelproces voor een mechanistische analyse. Spectro-elektrochemie en kwantumchemische berekeningen zullen het begrip van de reactiviteit van de elektrokatalysator ondersteunen. Deze belangrijke resultaten zullen nieuwe inzichten opleveren in de complexe elektronische wisselwerking van Ni(OH)₂/NiOOH elektrokatalysatoren. De bevindingen zullen als leidraad dienen voor de rationele ontwikkeling van de volgende generatie nikkel-gebaseerde katalysatoren.Onderzoeker(s)
- Promotor: Halter Dominik
Onderzoeksgroep(en)
Financiering
- BOF
Project type(s)
- Onderzoeksproject
Combinatie van katalysator- en procesontwikkeling voor hoogwaardige elektro-hydrogenering met ijzernanodeeltjes katalysatoren.
Abstract
Dit project richt zich op katalysatoren en processen voor elektrohydrogenering (e-hydrogenering) van organische verbindingen met behulp van elektriciteit en water als bron van waterstofatomen in elektrolyzers. Bestaande e-hydrogenering is afhankelijk van H+ reductie uit vaak dure protonbronnen, heeft een te lage energie-efficiëntie en lijdt aan een vaak lage selectiviteit door competitie met de H2 evolutie. Nieuwe katalysatoren die H2O activeren als goedkope en schaalbare protonbron bij lage overpotentiaal worden ontwikkeld in dit project. Een holistische aanpak, die katalysatorontwerp en procesontwikkeling in elektrolyse combineert, wordt voorgesteld om reactieselectiviteit en -efficiëntie af te stemmen voorbij de mogelijkheden van katalysatoroptimalisatie alleen. Het vergelijken van katalysator in batch en continu biedt richtlijnen voor het fijnstellen door procesontwerp voor e-hydrogenering. E-hydrogenering van aceton tot isopropanol als LOHC-paar voor omkeerbare energieopslag wordt gebruikt als benchmarkproces. Andere doelstellingen zijn e-hydrogenering van biologische grondstoffen, alkenen en alkynen.Onderzoeker(s)
- Promotor: Halter Dominik
- Mandaathouder: Oveisi Anahita
Onderzoeksgroep(en)
Financiering
- BOF
Project type(s)
- Onderzoeksproject
Elektro-organische synthese van energiedragers en producten met toegevoegde waarde.
Abstract
Dit onderzoeksproject beschouwt H2O en elektriciteit als reagentia voor elektro-organische synthese, waarbij verder wordt gekeken dan de eenvoudige H2- of O2-evolutie. Elektrokatalysatorontwerp en mechanistische studies staan centraal om waterstofgasvrije elektrohydrogenering met H2O in één stap mogelijk te maken. Als tweede projectpijler worden anodische elektrozuurstof-atoom transfer reacties (e-OAT) ontwikkeld als vervanging voor de zuurstof evolutie reactie (OER) in traditionele watersplitsing, zodat anodische producten met toegevoegde waarde de economische H2-productie aan de kathode in gekoppelde elektrolyse kunnen ondersteunen. In projectpijler 1 elimineert de directe elektrohydrogenering met H2O in één stap het uitdagende transport en het werken met explosief H2. Door de intrinsieke koppeling van afvalwarmte is het ook thermodynamisch gunstiger dan bestaande Power-to-X-processen in twee stappen waarbij eerst H2 vrijkomt dat vervolgens wordt verbruikt in een opeenvolgende chemische hydrogeneringsreactie. Het mikpunt van projectpijler 1 is de e-hydrogenatie voor omkeerbare energieopslag in vloeibare organische waterstofdragers (LOHC's), biomassavalorisatie en, in de context van de circulaire economie om aminen en alcoholen terug te winnen, de e-hydrogenatie van polyamiden en polyurethanen. Binnen deze projectpijler worden twee verschillende strategieën toegepast: ten eerste worden bekende transfer-hydrogeneringskatalysatoren (bv. Ir, Co en Mo tangcomplexen) die isopropanol of mierenzuur gebruiken als H-donor, aangepast om te werken als elektrokatalysatoren die H2O gebruiken als duurzame H-donor. Ten tweede zullen porfyrine CO2-reductie elektrokatalysatoren (moleculen en materialen) gederivatiseerd worden om organische substraten om te zetten met behulp van de selectieve hydrogenering van C=O bindingen ten opzichte van C=C bindingen. Modelsubstraten zijn onder andere alkenen, het aceton/isopropanol LOHC-systeem, het biogrondstofmodel 5-HMF en kaneelaldehyde voor chemo-selectiviteitsstudies. In projectpijler 2 worden elektrozuurstof-atoom transfer reacties (e-OAT)-reacties ontwikkeld, waarbij het O-atoom van water gebruikt wordt voor het genereren van producten met toegevoegde waarde (C=C epoxidatie & C-H oxidatie) aan de anode simultaan met de kathodische H2-productie. In tegenstelling tot standaard de OER verdeelt dit de proceskosten over twee producten (bijv. H2 en epoxide), waardoor de prijs voor groene H2 drastisch zal dalen. Dit wordt bereikt met cytochroom P450-nabootsende porfyrinekatalysatoren die reactieve metaal-oxo-species genereren door de elektro-oxidatie in water. Bovendien wordt de parasitaire OER onderdrukt door het ontwerp van de katalysator, het afstemmen van de reactieomstandigheden en mechanistische overwegingen. Als toekomstperspectief zullen de precieze reactieve sites in MOF-gebaseerde porfyrine en polymeer-gecoate elektroden benut worden voor het afstemmen van de secundaire coördinatiesfeer in materialen. Dit project is uniek door de combinatie van katalysator-, reactie- en procesontwerp dat in industrieel relevante elektrochemische reactoren geëvalueerd zal worden om oplossingen te bieden die traditionele benaderingen van uitsluitend chemische ontwikkelingen of reactortechniek niet kunnen bereiken. Methodisch wordt dit werk gedreven door moleculair en materieel katalysatorontwerp, waarbij gebruik wordt gemaakt van mechanistische inzichten in reacties om de belangrijkste stappen af te stemmen die de energie-efficiëntie en reactieselectiviteit bepalen, met name om de gekende nevenreacties (HER & OER) te onderdrukken. Spectro-elektrochemie (UV/Vis, Raman, EPR, NMR en GI-PXRD) en stoichiometrische elektrosynthese van actieve stoffen helpen deze mechanismen op te helderen. Tot slot wordt de reactieoptimalisatie ondersteund door design of experiment (DoE) en het vinden van kruisverbanden van experimentele parameters en ideale omstandigheden met mathematische procesmodellen.Onderzoeker(s)
- Promotor: Halter Dominik
- Mandaathouder: Halter Dominik
Onderzoeksgroep(en)
Financiering
- BOF
- BOF
Project type(s)
- Onderzoeksproject