Electrolysis for hydrogen as energy carrier
- Reference number
- EM16-0010
- Start and end dates
- 180801-240731
- Amount granted
- 27 585 175 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Hydrogen is expected to be a key component in a future fossil-free society, but sustainable large-scale processes for its generation are lacking. In this project we will develop tailored catalytic electrode materials, with composition and morphology that allows efficient, economic and scalable hydrogen production. Through selective electrochemical oxidation the process will simultaneously convert waste alcohols produced in biorefineries into value-added products and hydrogen at substantially lower cell voltage compared with water oxidation. We will focus on the oxidation of glycerol, a byproduct from biodiesel production, but in addition oxidation of alcohols from wood biorefineries will be studied. The development of highly selective and active electrocatalysts is essential to obtain efficient electrooxidation of alcohols. An approach will be used where we combine theoretical screening of new materials and mechanisms followed by synthesis of catalysts and evaluation of their functionality and selectivity, with feedback at each step. Expertise in theoretical chemical physics, materials science and applied electrochemistry are combined in this multidisciplinary project that will educate three PhD students and three Postdocs. The companies Permascand and Perstorp will be involved and guide on industrial aspects. During the final year the most promising catalyst candidates will be tested in a pilot-scale electrolysis cell.
Popular science description
Vätgas förväntas få en stor betydelse i ett framtida hållbart samhälle, då det kan ersätta fossila kolbaserade kemikalier i en lång rad tekniska processer som producerar väsentliga mängder koldioxid. Bland dessa finns järntillverkning (vätgas ersätter koks) och drivmedel för fordon, antingen direkt eller i konverterad form som metan eller metanol. Stora mängder vätgas går också åt vid konstgödseltillverkning, och hydrogenering exempelvis i margarintillverkning. Idag tillverkas vätgas till största del genom icke hållbara, fossilbaserade metoder. Syftet med detta projekt är att utveckla billiga och ”gröna” metoder för att tillverka vätgas genom elektrolys av en vattenlösning där vätgas bildas vid katoden. En sådan anläggning kan drivas med förnybar el och utnyttja perioder av överskott av elproduktion, där priserna är låga. I konventionell vattenelektrolys tillverkas syrgas vid anoden. Ett sätt att minska elförbrukningen är att istället där oxidera alkoholer, vilket kan leda till energibesparingar på över 60%! Om detta skall bli lönsamt måste alkoholen vara mycket billig, och gärna dessutom oxideras till värdefulla produkter. En sådan alkohol är glycerol, som idag produceras i stora mängder som biprodukt när man gör rapsbiodiesel, och andra produkter baserade på fettsyror från olika oljeväxter. Oxidationsprodukterna från glycerolen är potentiellt värdefulla för olika typer av användningar. En annan möjlighet är att använda nedbrytningsprodukter av kolhydrater som finns i svartlut, ett biflöde vid kemisk massatillverkning som innehåller alkoholer och som idag förbränns. För att få en effektiv elektrolys med låg elförbrukning och hög selektivitet för önskade reaktioner krävs att elektroderna är täckta med avancerade katalysatormaterial. I det här projektet ska vi utifrån teoretiska beräkningar föreslå lovande katalysatormaterial, som sedan ska tillverkas och därefter undersökas med såväl ytanalyser som elektrokemiska metoder. Baserat på de experimentella resultaten utvecklas beräkningarna och ger nya förslag på katalysatorer, som tillverkas och undersöks i en cyklisk process. Huvudfokus är selektiva och aktiva material för oxidation av glycerol, där forskningen inte kommit så långt, men även katalysatorer för vätgasutveckling och produkter från massabruk ska undersökas. Under projektets sista år ska en elektrokemisk cell i pilotskala, utrustad med de bästa katalysatorerna, visa på effektiv produktion av vätgas och värdefulla produkter från alkoholoxidation.