Efficiëntere elektrodes om CO2 te recyclen

Met de toenemende belangstelling voor hernieuwbare energie zijn wetenschappers voortdurend op zoek naar nieuwe technologieën om energie op te slaan. CO2-elektrolyse is een veelbelovende manier om energie op te slaan en tegelijkertijd koolstofdioxide te recyclen. Door elektriciteit toe te passen, reageren CO2 en water met elkaar en maken ze complexere moleculen. Een onderzoek gepubliceerd in Nature Communications onder leiding van Hugo van Montfort van de TU Delft presenteert een nieuw ontwerp van elektrodes dat de efficiëntie van CO2-elektrolyse verbetert.

De veelgebruikte expanded Teflon elektrodes (ePTFE) zijn poreus, wat betekent dat er kleine gaatjes in de structuur zitten. Deze zorgen ervoor dat het gasvormige CO2 zich gemakkelijk kan verplaatsen naar de plek waar de reactie plaatsvindt. Zo kan het product van de reactie zich snel vormen in de flowcel; het apparaat waarin de elektrolyse plaatsvindt. 

“Op de elektrode wordt de toegepaste stroom in chemische bindingen omgetoverd door middel van een katalysator, in dit geval koper”, legt promovendus Van Montfort uit. “De ePTFE elektrodes zijn gebruikt om de stabiliteit van de flowcellen te verbeteren, zonder dat iemand echt heeft gekeken naar de beperkingen die deze elektroden aan het ontwerp stellen. Wij keken naar de dikte van de katalysator en hoe dat de verdeling van de stroom in de cellen beïnvloedt. We konden aantonen dat een alternatieve manier om de stroom te verdelen de totale opbrengst van de reactie verhoogt.”

Elektrodes in een ander (infrarood) licht
“We zagen dat als de katalysator op de elektrode erg dun was, de stroom zich ophoopt aan de randen van de elektrode. Dit maakt opschalen van het systeem moeilijk, omdat grotere elektrodes steeds dikkere lagen katalysator nodig hebben om de stroom goed te verdelen. Met een nieuw ontwerp voor de stroomverdeling hebben we aangetoond hoe we deze verdeling kunnen verbeteren zonder grote invloed op het eindproduct.” 
 

Verschil maken
CO2-elektrolyse biedt twee enorme voordelen als technologie voor energieproductie. Ten eerste is het een klimaatneutrale manier om complexe moleculen te produceren, zoals ethyleen en methaan. Deze stoffen worden in de chemische industrie gebruikt voor de productie van kunststoffen, textiel en andere materialen. Normaal gesproken worden deze moleculen gewonnen uit gas of olie. Het opschalen van deze technologie zou dus het gebruik van fossiele brandstoffen kunnen verminderen. Bovendien is deze technologie alleen afhankelijk van water en koolstofdioxide, een molecuul dat bij veel industriële processen als afval ontstaat en waarvan er al een overvloed in de atmosfeer is.

"Hoewel CO2-elektrolyse één van de technologieën is die in de nabije toekomst CO2-neutrale chemicaliën kan leveren, zijn er nog steeds grote beperkingen die een opgeschaalde toepassing in de chemische industrie in de weg staan", zegt Van Montfort. "Ons nieuwe ontwerp lost niet alle problemen op die met deze technologie gepaard gaan. Desalniettemin hebben we goede hoop dat het nog maar een paar decennia duurt voordat het op industriële schaal een verschil kan maken."