Project

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Investigation and modeling of new CO2 Adsorption materials and their interaction with hydrogen

English title Investigation and modeling of new CO2 Adsorption materials and their interaction with hydrogen
Applicant Züttel Andreas
Number 163010
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Laboratoire des matériaux pour les énergies renouvelables EPFL - SB - ISIC - LMER
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Chemical Engineering
Start/End 01.10.2015 - 31.03.2019
Approved amount 259'986.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Chemical Engineering
Material Sciences

Keywords (6)

CO2 capture; Isotherm; Thermography; CO2 sorption materials; Hydrogen; Energy storage

Lay Summary (German)

Lead
Der Ausbau der Nutzung der erneuerbaren Energie, d.h. die Erhöhung des Deckungsgrades, erfordert die Speicherung grosser Mengen Energie. Ziel des Projektes ist es die Absorption von CO2 and funktionalisierten Oberflächen zu untersuchen und das CO2 mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen zu reduzieren. Stammt das CO2 aus der Atmosphäre und der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Energie, ermöglicht der Prozess die Speicherung von Energie in Form von Kohlenwasserstoffen, welche einfach und in grossen Mengen möglich ist. Eine Anlage zur Untersuchung der Absorption und Reduktion von CO2 wird im Rahmen einer Doktorarbeit aufgebaut und die Wechselwirkung der Gase miteinander und mit der katalytischen Oberfläche werden im Detail untersucht.
Lay summary

Erneuerbare Energie tritt in Form von Wärme oder Elektrizität auf, beides sind Energieflüsse, welche gespeichert werden müssen. Die direkte Speicherung von Elektrizität in Batterien erreicht Energiedichten von lediglich 0.2 kWh/kg und erfordert deshalb grosse Mengen an Speichermaterial zu hohen Kosten. Die Speicherung erneuerbarer Energie in einem synthetischen Energieträger wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen mit Energiedichten von 39 bzw. 13 kWh/kg was um zwei Grössenordnungen weniger Material erfordert als in Batterien. Die Herstellung von Wasserstoff über Elektrolyse ist eine etablierte Technologie, auch wenn grosse Anlagen eine Herausforderung darstellen. Wasserstoff ist aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften aufwändig zu speichern, man kann im Gegensatz zu Camping gas bei Raumtemperatur keinen gas-flüssig Übergang durch Druck erreichen. Die Interpellation von Wasserstoff in Metallhydriden erlaubt zwar Wasserstoff doppelt so dicht wie in seiner flüssigen Form bei -252°C zu speichern, metallische Hydride sind aber schwer. Wird der Wasserstoff dazu eingesetzt um CO2 zu Kohlenwasserstoffen zu reduzieren so erhält man im Idealfall synthetisches Öl, welches sich wie das fossile Mineralöl einfach in Tanks lagern lässt. Dabei gibt es zwei grosse Herausforderungen, einerseits muss CO2 in grossen Mengen aus der Atmosphäre extrahiert werden und andererseits muss die Reduktionsreaktion ein kontrollierte Reaktion zu einem spezifischen Produkt sein. im vorliegenden Projekt werden die Absorption von CO2 auf funktionalisierten Oberflächen und die Reduktion mit Wasserstoff untersucht. Dazu wird eine anlage aufgebaut, welche erlaubt einen kleinen Reaktor (Minireaktor) mit definierten H2, CO2, oder N2 Partialdrücken zu versetzen und die Produkte in einem Gaschromatographen und Massenspektrokmeter zu analysieren. Der Einfluss der Reaktionsparameter und insbesondere der Oberflächenzusammensetzung des Katalysators auf die gebildeten Produkte soll untersucht, beschrieben und verstanden werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.01.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Modelling the CO2 hydrogenation reaction over Co, Ni and Ru/Al2O3
Mutschler Robin, Moioli Emanuele, Züttel Andreas (2019), Modelling the CO2 hydrogenation reaction over Co, Ni and Ru/Al2O3, in Journal of Catalysis, 375, 193-201.
Renewable energy storage via CO2 and H2 conversion to methane and methanol: Assessment for small scale applications
Moioli Emanuele, Mutschler Robin, Züttel Andreas (2019), Renewable energy storage via CO2 and H2 conversion to methane and methanol: Assessment for small scale applications, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, 107, 497-506.
Fast real time and quantitative gas analysis method for the investigation of the CO 2 reduction reaction mechanism
Mutschler Robin, Luo Wen, Moioli Emanuele, Züttel Andreas (2018), Fast real time and quantitative gas analysis method for the investigation of the CO 2 reduction reaction mechanism, in Review of Scientific Instruments, 89(11), 114102-114102.
CO2 hydrogenation reaction over pristine Fe, Co, Ni, Cu and Al2O3 supported Ru: Comparison and determination of the activation energies
Mutschler Robin, Moioli Emanuele, Luo Wen, Gallandat Noris, Züttel Andreas (2018), CO2 hydrogenation reaction over pristine Fe, Co, Ni, Cu and Al2O3 supported Ru: Comparison and determination of the activation energies, in Journal of Catalysis, 366, 139-149.
Selective and Stable Electroreduction of CO 2 to CO at the Copper/Indium Interface
Luo Wen, Xie Wei, Mutschler Robin, Oveisi Emad, De Gregorio Gian Luca, Buonsanti Raffaella, Züttel Andreas (2018), Selective and Stable Electroreduction of CO 2 to CO at the Copper/Indium Interface, in ACS Catalysis, 8(7), 6571-6581.
Experimental performance investigation of a 2 kW methanation reactor
Gallandat Noris, Mutschler Robin, Vernay Vincent, Yang Heena, Züttel Andreas (2018), Experimental performance investigation of a 2 kW methanation reactor, in Sustainable Energy & Fuels, 2(5), 1101-1110.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Polytechnico di Milano Italy (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
University of Bologna Italy (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel
Dr. Mathias Koebel, EMPA Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events



Self-organised

Title Date Place
Latsis Symposium: Int. Symposium Hydrogen & Energy 2018 11.02.2018 EPFL Lausanne, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Visualizing chemical reactions EPFL NEWS Western Switzerland 2020

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170736 NAP-XPS Laboratory-Based Near-Ambient Pressure(NAP) X-ray Photoelectron Spectrometer (XPS) 01.01.2017 R'EQUIP

Abstract

The contribution of renewable energy e.g. solar, wind and hydropower, to the overall energy demand is increasing worldwide. Therefore, the storage of renewable energy requires the conversion of electricity into an energy carrier. The technologically most feasible process is electrolysis of water and hydrogen production. Hydrogen can be stored and used as an energy carrier; however, the maximum energy density of hydrogen storage is at approximately 50% of the gravimetric and volumetric energy density of fossil fuels. The continuation of the combustion of fossil fuels will further increase the CO2 concentration in the atmosphere beyond 400 ppm. The reduction of CO2 with hydrogen to hydrocarbons (synthetic fuels) allows storing renewable energy in an easy and CO2 neutral way and with the same energy density as fossil fuels. Therefore, CO2 extraction from air and the controlled reduction of CO2 to a specific hydrocarbon are of great importance for the future energy economy based on renewable energy. The project aims to develop and investigate new materials and processes for the CO2 extraction from air. A new experimental setup will be constructed and built in order to investigate the gas adsorption properties of the materials by several methods. The isotherms are investigated by means of mass flow control, while the kinetics is analyzed by means of a Sievert type system and the reaction progress in the sample will be followed by thermographymetry. New materials are developed with functionalized surfaces for the specific adsorption of CO2 and the reduction of the adsorption of water. New nanoporous materials with tailored functionalized surfaces will be developed. The materials will be characterized and the adsorption is modelled as a function of the thermodynamic relevant parameters, e.g. gas concentration, temperature and pressure. The properties of new materials for the CO2 extraction from air are investigated, including the analysis of the thermodynamics and process parameters. The combination of electrolysis, providing hydrogen at elevated temperature, with CO2 capturing in order to desorb CO2 with hydrogen purge gas as a new approach to generate CO2 / H2 mixtures, a syngas precursor, will be investigated. The project is the basis for a PhD work and will be carried out in the Laboratori of Materials for Renewable Energy in Energypolis EPFL Valais/Wallis in Sion.
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