Elektrolys för vätgas som energibärare

Diarienummer: EM16-0010
Start- och slutdatum: 180801-240731
Beviljat belopp: 27 585 175 kr
Förvaltande organisation: KTH - Royal Institute of Technology
Forskningsområde: Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

Vätgas förväntas få en nyckelroll i ett framtida fossilfritt samhälle, men hållbara och storskaliga processer för dess produktion saknas. I detta projekt ska vi utveckla skräddarsydda elektrodmaterial, med sammansättning och morfologi som medger en effektiv, ekonomisk och skalbar vätgasproduktion. I en elektrolysprocess ska billiga alkoholer från bioraffinaderier omvandlas till värdefulla produkter, samtidigt som vätgas produceras vid en väsentligt lägre cellspänning än den motsvarande vid vattenoxidation. Vi kommer att fokusera på oxidation av glycerol, en biprodukt vid tillverkning av biodiesel, men kommer också att studera oxidation av alkoholer från ett träbaserat bioraffinaderi. En utveckling av högselektiva och aktiva elektrokatalysatorer är nödvändig för en effektiv elektrooxidation av alkoholer. Vårt tillvägagångssätt kommer att vara att systematiskt kombinera teoretisk screening av nya material och mekanismer med syntes av katalysatorer och sedan utvärdering av deras funktionalitet och selektivitet, med återkoppling i varje steg. Expertis inom teoretisk kemisk fysik, materialvetenskap och tillämpad elektrokemi kombineras i detta multidisciplinära projekt som kommer att utbilda tre doktorander och tre postdocs. Företagen Permascand och Perstorp är involverade och bidrar med industriella aspekter. Under det sista året kommer de mest lovande katalysatorerna att testas i pilotskala i en elektrokemisk cell.

Populärvetenskaplig beskrivning

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.