Vervaardiging en karakterisatie van schaalbare ionenuitwisselingsmembranen voor hybride foto-reactoren voor artificiële fotosynthese.

De antropogene broeikasgassen die industrie en huishoudens uitstoten en sterk gerelateerd zijn met energieopwekking via fossiele brandstoffen, zijn een van de belangrijkste oorzaken voor de snelle klimaatverandering van de laatste decennia. De continu stijgende vraag naar energie gedreven door economische en demografische groei, veroorzaken een dringende behoefte om onafhankelijk te worden van deze brandstoffen. Dit moet worden bereikt in combinatie met een beperking op de broeikasgasemissies om de opwarming van de aarde tegen te gaan. Deze twee doelstellingen die opgesteld zijn met het oog op een stabiel milieuvriendelijke toekomst, hebben nood aan technologieën die in staat zijn om atmosferische CO2 om te zetten in brandstof, gebruik makende van hernieuwbare energie. Een artificieel fotosynthese (AF) proces is een veelbelovende optie voor een dergelijke technologie. Volledig geïmplementeerde artificiële fotosynthese maakt het mogelijk de uitgestoten CO2 circulair te hergebruiken via hernieuwbare energiebronnen als schone en effectieve drijfkracht. Een ionenuitwisselingsmembraan (IUM) is een van de sleutelcomponenten van een reactor voor AF en beïnvloedt sterk zijn prestatie. De unieke eigenschappen van IUMs maakt hen de voornaamste kanshebbers om te gebruiken als vast elektrolyt in de toestellen waarbij gassen foto-electrokatalytisch behandeld worden, om brandstoffen te produceren. Om een hoge doeltreffendheid van de kunstmatige fotosynthesecel te verzekeren, is het vanuit het oogpunt van het ionenuitwisselingsmembraan van cruciaal belang een evenwichtig te handhaven tussen een aantal tegenstrijdige eigenschappen van het membraan. Een hoge geleidbaarheid van protonen is bijvoorbeeld essentieel om een hoge energiedensiteit te verkrijgen – hoge conversie snelheid in de cel. Een hoge geleidbaarheid van protonen is vaak tegenstrijdig met de selectiviteit van het membraan dat instaat voor het bereiken van hoge reactie opbrengsten. Het evenwicht tussen dergelijke eigenschappen kan gecontroleerd worden via een complexe afstemming van gerelateerde polymeereigenschappen, zoals ionen capaciteit van het membraan (bv. graad van sulfonering), hydrofiliciteit van het polymeer en graad van de polymeervernetting. Samen bepalen zij de materiaaleigenschappen van de membraanfilm, zoals wateropname, geleidbaarheid van ionen, selectiviteit van ionen en mechanische eigenschappen. Die eigenschappen hebben ongetwijfeld invloed op de operatie van de AF cellen. Tenslotte de economische aspecten van het membraan: de kost en de operationele levensduur zijn een van de hoofdfactoren die bepalen of het kunstmatig fotosynthese systeem geschikt is voor commercialisering. Het hoofddoel van deze doctoraatsstudie is het ontwerpen en vervaardigen van goedkope, fotostabiele ionenuitwisselingsmembranen, die geschikt zijn als toepassing in foto-elektrochemische cellen voor artificiële fotosynthese. Om dit doel te bereiken zal bestaande vakkennis van verscheidene onderzoeksgebieden, waaronder polymeer wetenschappen en de chemie van coatings, vanuit een nieuw inzicht worden gebruikt om een dunne laag UV-geharde ionomeercoating bovenop een poreus ondersteunend membraan te ontwikkelen. De vervaardigde hiërarchische ionenuitwisselingsmembranen worden beoogd te gebruiken in een prototype van een fotoreactor, om CO2 te reduceren in combinatie met het oxideren van organische polluenten in afvalwater.