Bipolaire membranen die onder omgekeerde voorspanning werken beloven CO2-elektrolyse mogelijk te maken zonder dat je dure platinagroepmetalen nodig hebt. Helaas zijn de membranen nog niet efficiënt genoeg voor langdurige werking, zo laten onderzoekers van de TU Delft zien in Nature Chemical Engineering.
CO2-elektrolyse staat bekend als duurzame techniek om CO2 om te zetten in andere koolstofmoleculen met behulp van elektriciteit. Een van de grote uitdagingen waar CO2-elektrolysers mee kampen is de vorming van carbonaten uit de reactie van CO2-moleculen met aangemaakte hydroxiden. Elektrolysers bestaan uit een kathode, anode, elektrolyt en een membraan dat aangemaakte producten gescheiden houdt. Maar de eerdergenoemde carbonaten kunnen door het membraan reizen en het anoliet (de elektrolyt aan de anodekant) verzuren. De anodische reactie – die zuurstof aanmaakt – is daardoor enkel mogelijk met een anode uit dure en schaarse platinagroepmetalen, zoals iridium, die de zure omgeving kunnen weerstaan.
Zou de reactie onder alkalische omstandigheden uit te voeren zijn, dan kun je goedkopere en meer voorkomende materialen zoals nikkel of ijzer voor de anode gebruiken. Die omstandigheden bereik je met de inzet van bipolaire membranen onder omgekeerde voorspanning, ook wel reverse-bias bipolaire membranen (r-BPM) genoemd. Zo’n membraan bestaat uit twee verschillende lagen, waarbij de ene kationen doorlaat en de ander anionen. Door het sterke elektrische veld tussen deze lagen vallen watermoleculen uiteen in protonen en hydroxiden, waarvan de laatste richting de anode bewegen. Daar zorgen ze voor een behouden hoge pH, waardoor de anodische reactie ook zonder iridium mogelijk is.
Idealiter blijft de pH onveranderd, maar dan moet een r-BPM wel water dissociëren met een efficiëntie van honderd procent – zodat de hoeveelheid hydroxiden die naar de anode beweegt en daar wordt omgezet in zuurstof gelijk is. Nu laat de groep van Thomas Burdyny van de TU Delft zien dat deze zogeheten waterdissociatie-efficiëntie (WDE) grenzen stelt aan hoe levensvatbaar r-BPM’s zijn voor CO2-elektyrolyse. Door ongewenste crossover van onder andere carbonaten blijkt namelijk dat de WDE te laag is. Chemisch ingenieur en eerste auteur van de studie Gerard Prats Vergel van de TU Delft: ‘De hoogste WDE die we konden meten in onze opstelling was 98 procent. Met een model tonen we aan dat dit meer dan 99,8 procent moet zijn, als je een blijvende alkalische omgeving wil creëren voor langdurige industriële werking.’
Anode-corrosie
Hoewel r-BPM’s beloven om het probleem van carbonaten op te lossen, vroegen de Delftse onderzoekers zich af in hoeverre dit waar te maken is. Vergel: ‘Aangezien membranen nooit perfect selectief zijn, begon onze studie vanuit de vraag in hoeverre carbonaten die ontstaan bij de kathode door het membraan heen reizen. Wat zouden daar dan de gevolgen van zijn?’
De onderzoekers gebruikten een membraan-elektrode-assemblageconfiguratie met een nikkelanode om de WDE van r-BPM’s te meten als functie van de stroomdichtheid, anoliet-concentratie en kation-identiteit. ‘We lieten de opstelling een uur lang werken en maten de crossover van ionen door de verandering in concentratie bij de anode te meten’, zegt Vergel. ‘Met titratie bepaalden we de concentratie van hydroxiden, carbonaten en kalium voor en na de metingen. Dat kwantificeerden we als WDE.’
Hiermee ontdekten de onderzoekers dat de WDE veel lager uitviel dan honderd procent. Vergel: ‘Het was eerder negentig procent, afhankelijk van de omstandigheden. Dat houdt in dat er op een gegeven moment zoveel carbonaten bij de anode zitten dat deze corrodeert.’ Ook simuleerden ze tienduizend uur durende experimenten, waarmee ze aantoonden dat een WDE van 99,8 procent nodig is om deze corrosie te voorkomen.
Terug naar start
Het verhogen van de selectiviteit van membranen is de grote uitdaging. ‘Er is een trade-off tussen selectiviteit en elektrische weerstand’, zegt Vergel. ‘Door een membraan dikker te maken, neemt de selectiviteit toe en laat het bijvoorbeeld minder carbonaten door. Maar door die dikte neemt ook de weerstand toe, waardoor je meer energie nodig hebt om de reacties mogelijk te maken.’
Om die reden voorzien de onderzoekers dat je r-BPM’s verder moet innoveren of dat je moet terugkeren naar platinagroepmetalen. Een andere mogelijkheid is om het verzurende anoliet om de zoveel tijd te vervangen, maar ‘het probleem hierbij is dat de kosten dan weer oplopen’, besluit Vergel. ‘Volgens onze schatting zou dit ergens tussen 6 en 25 procent van de nodige energie voor een werkende CO2-electrolyser innemen.’ Voor je r-BPM’s kunt toepassen, is er dus nog wel wat werk aan de winkel.
Vergel, G.P. et al. (2025) Nat. Chem. Eng. 2, DOI: 10.1038/s44286-025-00306-7
Nog geen opmerkingen