Onderzoeksgroep

Toegepaste Elektrochemie & Katalyse (ELCAT)

Expertise

Mijn expertise situeert zich in het domein van de elektrochemische ingenieurstechnieken. Zeer specifiek heb ik kennis over volgende topics: - Ontwikkeling van nieuwe katalysematerialen voor elektrodes in brandstofcellen, elektrolyzers en batterijen - Power-to-X, het gebruik van hernieuwbare elektriciteit als drijvende kracht voor een duurzame (CO2 vrije) productie van chemicaliën - CO2, conversie, elektrochemische, elektrokatalytische reductie van CO2 tot hoogwaardigere producten - Reactordesign, voornamelijk voor (elektrochemische) continue flowprocessen - Organische elektrosynthese - Elektrochemie, reactiekinetiek, reactiestudies, ... - Batterijen, brandstofcellen - Productie van (metallische) nanopartikels voor elektrokatalyse

Gepaarde elektrokatalytische alkaan dehydrogenatie en CO2 reductie in een multicompartiment elektroreactor met protongeleidende membranen gebaseerd op metaal-organische roosters. 01/01/2021 - 31/12/2024

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)

Onderzoeksgroep(en)

Titel voorlopig confidentieel. 01/01/2021 - 31/12/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

Voorbij de grenzen van massaoverdracht: ontwerp van 3D pilaarelektroden in redox flow batterijen. 01/11/2020 - 31/10/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

Stikstofreductie: optimalisatie van de Faraday-efficiëntie van elektrokatalysatoren door een combinatie van geavanceerde elektrochemie en elektronenmicroscopie. 01/11/2020 - 31/10/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

Ontwikkeling van stabiele gasdiffusielagen voor elektrochemische reductie van CO2. 01/11/2020 - 31/10/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

InSusChem - Consortium voor Geïntegreerde Duurzame Chemie Antwerpen. 15/10/2020 - 31/12/2026

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)

Onderzoeksgroep(en)

Verbeteren van de hydrodynamica van doorstroombare redoxbatterijen via 3D-geprinte elektroden. 01/10/2020 - 30/09/2023

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)

Onderzoeksgroep(en)

High-end elektronen paramagnetische resonantie instrumentatie voor katalyse en materialenkarakterisatie. 01/05/2020 - 30/04/2024

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)

Onderzoeksgroep(en)

Opschalen van de zero-gap CO2 elektrolyzer. 01/05/2020 - 30/04/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Sol-gel chemie om de morfologie en de porositeit van actinide-oxidematerialen voor elektroreductie te controleren. 01/02/2020 - 31/01/2024

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)

Onderzoeksgroep(en)

Katalyse voor duurzame organische chemie (CASCH). 01/01/2020 - 31/12/2025

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)

Onderzoeksgroep(en)

Vloeistof chromatografie gecombineerd met massaspectroscopie voor de analyse van elektrochemische reactiemengsels. 01/01/2020 - 31/12/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Intensificatie van CO2 captatieprocessen (CAPTIN) 01/01/2020 - 30/06/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Dioxide naar monoxide: Innovatieve katalyse voor de omzetting van CO2 naar CO (D2M). 01/01/2020 - 30/06/2021

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.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Dioxide naar monoxide: Innovatieve katalyse voor de omzetting van CO2 naar CO (D2M). 01/01/2020 - 30/06/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Reductie/Oxidatie/Recyclage (RedOxRec). 01/11/2019 - 31/10/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

De fundamentele rol van het dragermateriaal bij de elektrokatalyse van CO2 tot mierenzuur als sleutel voor een industrieel haalbaar proces (BECO2ME). 01/11/2019 - 30/10/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Elektrosynthese voor de duurzame productie van ethyleenoxide. 01/06/2019 - 31/05/2023

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)

Onderzoeksgroep(en)

Nieuwe redoxmediatoren en verbeterde elektrokatalysatoren voor de functionalisatie van koolstof-waterstof bindingen met behulp van elektrosynthese. 01/10/2018 - 30/09/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

Lichtgevoelig zwart titanium dioxide voor foto-elektrochemische toepassingen: de detectie van polyfenolen in doorstroomsystemen. 01/10/2018 - 30/09/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Fundamenteel inzicht in de rol van de steunlaag en elektrokatalysator in CO2 elektrolyzers: zijn koolstof-gebaseerde materialen de oplossing of het probleem? 01/10/2018 - 30/09/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Elektronen tot hoogwaardige chemische producten (E2C). 01/07/2018 - 31/12/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

CCU en elektrochemische conversie: ontwikkelen van geïntegreerd elektrokatalytisch systeem 01/05/2018 - 31/10/2023

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)

Onderzoeksgroep(en)

Infrastructuur voor het visualiseren processen op nanoschaal in gas-/damp- of vloeistofomgeving. 01/05/2018 - 30/04/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

CO2PERATE: alle hernieuwbaar gebaseerde CCU naar mierenzuur geïntegreerd in een industriële microgrid. 01/03/2018 - 28/02/2023

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)

Onderzoeksgroep(en)

Elektrontomografie gecombineerd met state-of-the-art elektrochemie ter bevordering van de elektrokatalystische CO2 reductie. 01/01/2018 - 31/12/2022

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)

Onderzoeksgroep(en)

Haalbaarheidsstudie naar het ontwerp van een industrieel toepasbare CO2 elektrolyzer (STACkED). 01/01/2018 - 31/12/2021

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)

Onderzoeksgroep(en)

Actieve passieve waterpollutie staalname apparatuur (WATERSIDE). 01/05/2019 - 31/08/2020

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)

Onderzoeksgroep(en)

Preliminaire studie: geïntegreerde CO2 afvang en elektrochemische conversie: ontwikkeling van elektrokatalytische systemen. 15/11/2017 - 14/02/2018

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)

Onderzoeksgroep(en)

Geavanceerde dragermaterialen voor elektrokatalyse 01/07/2017 - 31/12/2018

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)

Onderzoeksgroep(en)

Innovatieve 3-dimensionale elektronenmicroscopie om de katalytische activiteit van kern-schil nanodeeltjes te versterken. 01/01/2017 - 31/12/2020

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)

Onderzoeksgroep(en)

Een doelgerichte optimalisatie van elektrokatalysatoren door de combinatie van elektrosynthese met in-situ elektron paramagnetische resonantie. 01/01/2017 - 31/12/2020

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)

Onderzoeksgroep(en)

Geordende drie dimensionale electroden voor elektrokatalyse. 01/10/2016 - 30/09/2019

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)

Onderzoeksgroep(en)

Directe elektronen detectie voor zachte materialen in TEM 01/05/2016 - 30/04/2020

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)

Onderzoeksgroep(en)

De invloed van de elektrokatalytische eigenschappen van Cu/Ag core-shell nanopartikels op de reductie van CO2 in een continue elektrochemische microreactor. 01/10/2015 - 30/09/2019

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)

Onderzoeksgroep(en)

WATERSIDE: Actieve Passieve Waterpollutie Staalname Apparatuur. 01/10/2015 - 30/09/2017

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)

Onderzoeksgroep(en)

Francqui Leerstoel 2015-2016 Prof. Herman Terryn. 01/10/2015 - 30/09/2016

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)

Onderzoeksgroep(en)

Ontwikkeling van een elektronen paramagnetische resonantiespectroscopie (EPR) platform voor elektrokatalyse 01/07/2015 - 31/12/2016

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)

Onderzoeksgroep(en)

Invloed van de morfologie van core-shell nanopartikels op het mechanisme van organische halogenidereducties 01/01/2015 - 31/12/2018

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)

Onderzoeksgroep(en)

Verbetering van de energie- en omzettingsefficiëntie van elektrochemische en plasmareactoren door miniaturisatie. 01/07/2014 - 31/12/2015

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)

Onderzoeksgroep(en)

Bouw van een prototype elektrosynthesereactor 01/02/2014 - 31/12/2014

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)

Onderzoeksgroep(en)

Elektrochemische impedantiemetingen in een intelligente Databank voor Corrossie. 01/10/2013 - 31/12/2013

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)

Onderzoeksgroep(en)

Invloed van de detectiemethode in impedimetrische aptasensoren: rigoureuze data-analyse en modellering van de elektrochemische impedantiespectra. 01/01/2013 - 31/12/2014

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)

Onderzoeksgroep(en)