n KEMITEKNIK Fremtidens energilagring og konverteringsteknologier - den essentielle rolle af redox-mediatorer. Af Albert Otto Erich Hohn og Anders Bentien, Institut for Bio- & Kemiteknologi, Aarhus Universitet Redox-mediatorer har tiltrukket op- mærksomhed inden for energikonverte- ringsforskning, hvor deres alsidige an- vendelsesmuligheder har åbnet døren for nye innovative og banebrydende ideer. Denne opmærksomhed har positioneret dem som en nøglekomponent inden for teknologier som elektrolyse, vandige batterier og zink-luft batterier. Terawatt-udfordringen Fossile brændstoffer har længe domi - neret energisektoren på verdensplan som den primære kilde til vores ener- giforsyning. Trods vores betydelige fremskridt inden for bæredygtig energi, må vi anerkende, at vi stadig er langt fra at udfase de fossile brændstoffer. Ifølge BP Statistical Review of World Energy (2020) udgør de fossile brænd- stoffer stadig 84,3 procent af den globale energiproduktion (174.274 TWh), mens de vedvarende energiteknologier kun udgør 11,4 procent [1]. For at opfylde EU’s mål om CO 2 -neutralitet i 2050 er der derfor behov for vedvarende og bæ- redygtige teknologier til energilagring og -konvertering på terawatt-skala [2]. Denne globale energiudfordring beteg- nes ofte som ”The Terawatt Challenge” (Terawatt-udfordringen). Inden for energilagring og -konver- tering er der generelt en forståelse af, at der er brug for materialer, som er lettilgængelige, billige og miljøvenlige. Derudover spiller den årlige globale produktion og den naturlige forekomst af grundstoffer på jorden en afgørende rolle i implementeringen af nuværende og fremtidige teknologier. I 2012 påpe- gede Peter Vesborg (DTU) og Thomas Jaramillo (Stanford Universitet), at 25 grundstoffer produceres i mængder, der overstiger 1 megaton årligt (Mt/år) [2]. Herved kan en energiteknologi, der bruger 1 gram af et bestemt grundstof per watt, implementeres med en årlig kapacitet på mindst 1 terawatt (TW/år), hvis den nuværende produktion af det pågældende grundstof omdirigeres til udelukkende denne teknologi. I vores forskning undersøger vi me- talkomplekser som redox-mediatorer i vandige batterier (redox flow-batterier), medieret hydrogenproduktion og zink- luft batterier. En redox-mediator er et molekyle, der er opløseligt og sørger for transporten af elektroner og som- metider ioner. De undersøgte metal- komplekser består oftest af organiske ligander, som er koordineret til et cen - trum bestående af enten titanium (Ti), jern (Fe) eller mangan (Mn). Metal- lerne er udvalgt med henblik på deres elektrokemiske aktivitet, pris, tilgænge lighed og enkelhed i synteseprocessen. Metalkomplekserne har desuden den ekstra fordel, at de kan opløses ved høje pH-værdier, mens metaller typisk udfældes og danner metaloxider under disse betingelser. Redox flow-batterier Et redox flow-batteri er en genopladelig enhed med separate elektrolytbeholdere, som består af katodemolekyler (posi- tive side) og anodemolekyler (negative side), som er opløst i vand. Væskerne i elektrolytbeholderne pumpes ind i en elektrokemisk celle (stakken), hvor elek - trisk energi (strøm) omdannes til kemisk energi ved at oxidere den positive side og reducere den negative side under opladning og omvendt under afladning. En illustration af en enkelt celle er vist i figur 1. Ved konvertering af energi fra en form til en anden vil der altid fore- komme en vis grad af energitab i form af varme under processen. I et bat - teri er dette tab forårsaget af den indre modstand ( R i ), der opstår som følge af modstand i batteriets komponenter. Den Figur 1. En illustration af en elektrokemisk celle (stakken). De essentielle komponenter, der muliggør de elektrokemiske reaktioner, inkluderer strømsamlere, elektrolytter, elektroder og membranen. Strømsamlerne sørger for elektronoverførsel mellem elektroderne og det eksterne kredsløb. De redox-aktive molekyler i elektrolytterne oxideres og reduceres på overfladen af elektroderne ved henholdsvis anoden og katoden. Membranen sørger for transport af de ioner, der deltager i de elektrokemiske reaktioner, samtidig med at forhindre at de to elektrolytter blandes. 6 Dansk Kemi, 105, nr. 1, 2024 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her