Covalent Organic Framework Membrane Reactors for Full-Volume Active Electrodes in CO2 Electrolysis

Projektbeschreibung

Neuartige Materialien mit effizientem Teilchentransport fördern elektrochemische Anwendungen

Moderne Technologien wie Stromerzeugung und CO2-Elektrolyse beruhen auf der Fähigkeit zu steuern, wie sich Teilchen, etwa Elektronen, Ionen und Moleküle, durch Materialien hindurch bewegen. Den gleichzeitigen Transport verschiedener Teilchen in einem Material zu steuern, stellt jedoch eine Herausforderung dar, da jede Art von Teilchen einzigartige Bedingungen erfordert. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des ERC-finanzierten Projekts COFActiveCO2 netzartige Chemie genutzt, eine Methode zur Konstruktion von Materialien durch Verknüpfung molekularer Bausteine zu präzisen, gitterartigen Gerüstverbindungen. Damit wird dazu beigetragen, fortgeschrittene Materialien mit Mehrkanalstrukturen zu schaffen, d. h. mit Wegen, die es verschiedenen Teilchen (Elektronen, Ionen und Molekülen) ermöglichen, sich effizient und schnell auf getrennten Wegen zu bewegen. Mit diesen sorgfältig technisch konstruierten Kanälen werden effektivere chemische Reaktionen für Prozesse wie die Elektrolyse möglich, bei denen ein verbesserter Teilchentransport zur erheblichen Optimierung der Reaktionsleistung beitragen kann.

Ziel

The diffusion of particles such as electrons, photons, ions, and molecules in substances represents a basic phenomenon in the universe. By manual control of the diffusion of these particles, a directional transport can be achieved, enabling the invention of electricity, fiber-optic communication and desalination. The pursuit of more powerful control over transporting processes constitutes a foundation for technology evolution. This is exactly what this project aims to do.
The co-transport of multiple species in a single substance is typically prohibited in nature. This because different species have their own preferable transport environments, which are markedly disparate from one another. Optimizing the transport environment for different species in one material is therefore a great challenge, and the efforts of doing so often leads to undesired outcomes, such as trade-offs or even annihilation effects. However, the co-transport of multiple species is a necessity in technologies like electrolysis. Thus, a fundamental innovation in material science is needed to address the problem of simultaneous diffusions.
In COFActiveCO2, I will use reticular chemistry to construct macromolecular type framework materials with compartmentalized multi-channels for mixed transport. The project will realize unprecedentedly control over the simultaneous transport of electrons, ions and molecules, to achieve intercalated nano-flows at high flux. As a result, a large contact between hybrid nano-flows will greatly facilitate the chemical kinetics in electrochemical processes. The implementation of membrane reactors with such design will enable significant upgrade in the electrochemical conversion efficiency of working electrodes in CO2 electrolysis technology, thus paving the way for a sustainable future.