A kutatócsoport kutatási irányainak összefoglalója
A kutatócsoport munkáját 4 nagyobb témára lehet osztani:
Elektrolizáló cellák és katalizátorrétegek fejlesztése elektrokémiai vízbontáshoz
Rés nélküli elektrolizáló cellákat fejlesztünk és mindkét oldalán katalizátorral bevont membránt alakítunk ki ezekhez. A munkánk során fontos hangsúlyt kap a cellák és a katalizátorrétegek méretének növelése, valamint azok reprodukálható és technologizálható előállítása.
Elektrolizáló cellák fejlesztése és méretnövelése CO2 elektrokémiai redukciójához
A munkánk során rés nélküli elektrolizáló cellákat fejlesztünk, és vizsgáljuk a különböző paraméterek hatását a CO2 elektrokémiai redukciójának sebességére és szelektivitására. Vizsgáljuk a cellák gázcsatornáinak-, a gáz- folyadékbevezetés módjának, valamint a méretnövelés hatását.
Elektrolizáló technológiák működési környezetének fejlesztése.
A megnövelt méretű cellák üzemeltetése megkívánja a nagyobb méretű, és a biztonságos üzemelést fokozottan felügyelő rendszerek kialakítását. A munka során távolról vezérelhető, folyamatos működésre is alkalmas elektrolizáló rendszereket tervezünk 10-100 kW teljesítmény felvételű elektrolizáló cellákhoz.
Elektrolizáló rendszerek megújuló energiaforrásokkal való integrációja.
A munkánk hosszútávú célja, hogy a CO2 és vízelektrolizáló cellákat napelemekkel előállított energia felhasználásával üzemeltessük. Ennek érdekében tanulmányozzuk a különböző kapcsolási módok elvi lehetőségét, valamint laboratóriumi körülmények között vizsgáljuk egy ilyen működés hatását az elektrolizáló cellák hosszútávú teljesítményére.
A kutatócsoport legfőbb tudományos eredményei
Ipari együttműködésben saját tervezésű rés nélküli CO2 elektrolizáló cellákat terveztünk és alakítottunk ki. A laboratóriumi kísérletek során használt 8 cm2 aktív felületű elektrolizálóval mért eredmények alapján két lépésben növeltük az elektrolizáló cella méretét 100 cm2-re. Az ezekkel mért eredmények összemérhetők a szakirodalomban közölt, hasonló rendszereken mértekkel. A tervezett cellákban a szakirodalomban elsőként valósítható meg többrétegű cellakötegek kialakítása. Ily módon a cellák alapterületének növelése nélkül tudtuk növelni az elektrokémiailag aktív felületet. A cella egyedi kialakításának köszönhetően a gáz elektrolizáló rétegek közötti útja is változtatható: lehetőség nyílik a cellák gázbevezetésének párhuzamosítására, vagy azok sorba kötésére. Előző esetben kiemelkedő termékképződési sebességet, míg utóbbi esetben kiemelkedő CO2 konverziót értünk el.
Az elektrolizáló cella működésének optimalizálása érdekében kísérleteket végeztünk különböző kereskedelmi forgalomban elérhető cellaalkotók alkalmazásával. Többek között vizsgáltuk különböző méretű katalizátor részecskék, membránok és gázdiffúziós rétegek hatását a CO2 redukció sebességére és szelektivitására. A kísérletek során megállapítottuk, hogy a membrán döntően befolyásolja a cella működését. Ezen felül kiemelkedő fontosságú a cella katódjaként alkalmazott gázdiffúziós réteg megfelelő mértékű összenyomása. Amennyiben egyáltalán nincs összenyomva, úgy a cella ellenállása megnő, míg túlzott összenyomás esetén a gázdiffúziós réteg pórusai részben lezárulnak, így nem jut megfelelő mennyiségű CO2 a katalizátor felületére.
Az elmúlt 1 év eredményei
A kutatócsoport legfontosabb célkitűzése a laboratóriumi kutatások és a különböző elektrokémiai reakciók ipari hasznosítása közötti szakadék áthidalása, különös tekintettel a CO2 elektrokémiai redukciójára. A kutatási-fejlesztési munkák során fokozatosan növelt méretű elektrolizáló cellákat, cellakötegeket és elektrolizáló állomásokat tervezünk és építünk.
Saját tervezésű rés nélküli CO2 elektrolizáló cellákat terveztünk és alakítottunk ki több méretben, 8-100 cm2 aktív felülettel. A tervezett nagyméretű cellákban lehetőség nyílik többrétegű cellakötegek kialakítása, amire korábban nem volt példa a területtel foglalkozó szakirodalmi közleményekben.1
A saját tervezésű elektrolizáló cellában a gázdiffúziós réteg összenyomás mértéke egy távtartó elem cseréjével egyszerűen változtatható, így az tetszőleges vastagságú elektródhoz igazítható. A megfelelő távtartás beállításával, és egy új, korábban CO2 elektrokémiai redukciójában még nem alkalmazott membrán használatával kiemelkedően nagy reakciósebességet értünk el.2
(1) ACS Energy Lett. 2019, 4 (7), 1770–1777.
(2) Energy Environ. Sci. 2020, 13 (11), 4098–4105.
A kutatócsoport legfontosabb 5 publikációja
- B. Endrődi; E. Kecsenovity; A. Samu; T. Halmágyi; S. Rojas-Carbonell; L. Wang; Y. Yan; C. Janáky, High Carbonate Ion Conductance of a Robust PiperION Membrane Allows Industrial Current Density and Conversion in a Zero-Gap Carbon Dioxide Electrolyzer Cell. Energy Environ. Sci. 2020, 13 (11), 4098–4105. https://doi.org/10.1039/D0EE02589E
- B. Endrődi; E. Kecsenovity; A. Samu; F. Darvas; R. V. Jones; V. Török; A. Danyi; C. Janáky, Multilayer Electrolyzer Stack Converts Carbon Dioxide to Gas Products at High Pressure with High Efficiency. ACS Energy Lett. 2019, 4 (7), 1770–1777. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b01142
- B. Endrődi; G. Bencsik; F. Darvas; R. V. Jones; K. Rajeshwar; C. Janáky, Continuous-Flow Electroreduction of Carbon Dioxide. Prog. Energy Combust. Sci. 2017, 62, 133–154. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.05.005
- A. Danyi, F. Darvas, B. Endrődi, C. Janáky, R. Jones, E. Kecsenovity, A. Samu, V. Török, Modular electrolyzer stack and process to convert carbon dioxide to gaseous products at elevated pressure and with high conversion rate, WO2020240218A1
- B. Endrődi, C. Janáky, F. Darvas, R. Jones, E. Kecsenovity, A. Samu, Process and system to enhance and sustain electrolyzer performance of carbon-dioxide electrolysers, WO2022013583A1
Csoportvezető kutató: Dr. Janáky Csaba
A kutatócsoport további tagjai:
Dr. Balog Ádám
Dr. Bencsik Gábor
Dér Ádám
Gyenes Péter
Lénártné Serfőző Andrea
Legfontosabb eszközök
- Biologic VMP-300 többcsatornás potenciosztát/galvanosztát
- Shimadzu GC-2030 gázkromatográf nagyhőmérsékletű, automatizált mintainjektorral
- SRS UGA200 atmoszférikus mintavételezésű tömeganalizátorSRS BGA-244 bináris gázanalizátor
- Hubei Cubic-Ruiyi Gasboard-3100 gázanalizátor CO, CO2 és H2 meghatározásához
- Bronkhorst tömegáram szabályzók és mérők (többféle)
- TDK lambda nagyáramú tápegységek (többféle)
- Saját tervezésű félautomatikus tesztállomás közepes méretű (~100 cm2) vízbontó és CO2 elektrolizáló cellák teszteléséhez
A kutatási irányokhoz köthető legfontosabb ábrák
Ipari partnerek
- Opus Tigáz https://www.opustigaz.hu/
- ThalesNano Zrt https://thalesnano.com/
- MOL Nyrt https://mol.hu/hu/
- GanzAir Kft https://ganzair.hu/
- eChemicles Zrt
Vegye fel a kapcsolatot a kutatócsoport-vezetőjével a következő e-mail címen:
janaky@chem.u-szeged.hu