Nanoconfined materials and strategies for ionic coupling: A journey towards vapor phase electrolyzers

Promovendus/a: Venkataramana Rishikesan

Promotor(en): Prof. dr. Philippe Vereecken, Prof. dr. Christophe Detavernier

Sinds de uitvinding van de elektrolyzer in de 18e eeuw heeft het ontwerp ervan een radicale ontwikkeling doorgemaakt. Componenten zoals elektroden en scheidingslagen zijn dunner geworden, elektroden worden dichter bij het membraan geplaatst en asymmetrische toevoer van elektrolyt is geïntroduceerd — naast vele andere innovaties. De vooruitgang in elektrolyzetechnologie vereist inmiddels vernieuwing van de kerncomponenten van de elektrolysecellen, met name de elektroden. Met de groeiende belangstelling voor elektrochemische cellen die water omzetten in waterstof of waardevolle producten produceren uit CO₂- en N₂-gasstromen, is er behoefte aan nieuwe elektrodestructuren.

De elektro-reductie van CO₂ en N₂ verloopt bij voorkeur in de dampfase vanwege hun lage oplosbaarheid in water — respectievelijk ongeveer 34 mM en 0,6 mM. Momenteel gebeurt dit met elektrolyzers die CO₂-gas naar de kathode leiden, terwijl een elektrolytoplossing langs de anode circuleert. De membranen die de twee elektroden scheiden, zijn echter sterk waterdoorlatend, waardoor de met gas gevoede kathode uiteindelijk onderloopt en zijn werking verliest. Een voor de hand liggende oplossing is om de vloeibare elektrolyttoevoer volledig te elimineren en de elektrolyzer volledig in dampfase te laten opereren.

Voor een efficiënte werking in de dampfase is het cruciaal dat de elektrode zowel ionische als elektronische geleiding ondersteunt. In dit proefschrift stellen we een nieuw elektrodeontwerp voor, bestaande uit een nanomesh-structuur van platina met een hoog oppervlak, die conform is gecoat met een mesoporeuze silica-laag van slechts enkele tientallen nanometers dik. Deze architectuur onthult opmerkelijke effecten die zich voordoen in de nanoschaalstructuren van de elektrode tijdens dampfasewerking, en suggereert innovatieve strategieën om ionentransport in de poreuze nanomesh mogelijk te maken. Het onderzoek benadrukt het belang van bevochtiging van elektroden in gedeeltelijk dampgevoede systemen en werpt een kritisch licht op de terminologie en aannames rond “dampfase-elektrolyse.” Er wordt een duidelijk onderscheid gemaakt tussen echt dampgevoede systemen en systemen die onbedoeld afhankelijk zijn van restwater.

Kortom, dit proefschrift presenteert een integrale strategie om hardnekkige uitdagingen in dampfase-elektrolyse te overwinnen. Het biedt waardevolle inzichten om het vakgebied vooruit te helpen — via een combinatie van vernieuwend elektrodeontwerp, ionische koppeling en systeembrede benadering van de elektrolyzer — en effent daarmee het pad voor efficiëntere dampgevoede elektrolyzers.