Cellules d'écoulement modulaires pour une chimie durable
Optimisation des procédés de fabrication électrochimiques
Les processus électrochimiques tels que l'électrolyse de l'eau deviendront de plus en plus importants à l'avenir, compte tenu du changement climatique et de la nécessité d'une transition énergétique et des matières premières qui en découle. L'Institut Fraunhofer pour la microtechnique et les microsystèmes IMM collabore avec hte GmbH pour développer des cellules électrochimiques modulaires. Ces cellules d'écoulement sont utilisées pour des tâches de sélection, contribuant ainsi à optimiser les processus de production électrochimique, tels que l'électrolyse de l'eau.
Dans le contexte de la transition énergétique et des matières premières, les procédés électrochimiques présentent un avantage, car ils fonctionnent à l'électricité plutôt qu'avec des réactifs chimiques. Ils peuvent également répondre activement aux fluctuations de l'approvisionnement en électricité en connectant les processus électrochimiques lorsqu'il y a un excès d'électricité et en les éteignant lorsqu'il y a une pénurie d'électricité. L'électrolyse de l'eau est un cas d'utilisation important. Elle génère de l'hydrogène, une source d'énergie flexible et facile à transporter qui joue un rôle central dans la transition énergétique. C'est pourquoi le Fraunhofer IMM développe et améliore des microréacteurs électrochimiques - également appelés "cellules d'écoulement" - destinés à être utilisés dans des processus de synthèse verts tels que l'électrosynthèse et comme moyen d'étudier l'électrolyse de l'eau. Ces microréacteurs permettent le développement et le criblage des synthèses à l'échelle du laboratoire, tout en permettant le transfert de la synthèse à l'échelle pilote. En collaboration avec la société hte GmbH, basée à Heidelberg, le Fraunhofer IMM a développé un concept modulaire et flexible pour une cellule d'écoulement électrochimique qu'ils ont utilisé pour des tâches de criblage à haut débit dans le domaine de l'électrocatalyse.
"Les processus chimiques peuvent être contrôlés avec précision à l'aide de microréacteurs. Cela s'applique également à nos cellules électrochimiques, qui peuvent être utilisées pour optimiser les processus de production électrochimique, par exemple, lorsqu'il s'agit de production chimique durable ou d'électrolyse de l'eau. Les plateformes de criblage qui utilisent notre conception permettent de tester un certain nombre de catalyseurs et de conditions de traitement en très peu de temps. Des modifications doivent être apportées aux plateformes de criblage pour l'électrocatalyse. Outre l'électrocatalyseur lui-même, les conditions de traitement telles que la pression, la température, la tension de la cellule, les débits et la composition de l'électrolyte doivent également être étudiées. C'est là que nos réacteurs à circulation entrent en jeu en tant qu'éléments du système de criblage", explique le Dr Patrick Löb, chef du groupe de chimie en écoulement au Fraunhofer IMM de Mayence.
Un concept de réacteur basé sur une pile de plaques
Le concept de réacteur de base développé par le Fraunhofer IMM pour les applications électrochimiques utilise une pile de plaques. Une cellule électrochimique unique est constituée d'un ensemble de plaques d'électrodes et d'autres composants. La pile peut contenir soit une cellule pour un fonctionnement individuel, soit un ensemble de cellules qui peuvent fonctionner en parallèle, en série ou dans une combinaison des deux. Le mode de fonctionnement en parallèle est particulièrement adapté aux tâches de dépistage. Ainsi, il est par exemple possible d'étudier l'influence du matériau de la membrane sur le processus électrochimique, puisque des membranes différentes peuvent être installées dans chacune des cellules électrochimiques de la pile, qui sont par ailleurs identiques. Les résultats de l'étude peuvent ensuite être utilisés pour sélectionner la meilleure membrane pour le processus. "Le réacteur permet un grand nombre de variations de cellules, ce qui signifie que différents matériaux membranaires et électrocatalyseurs peuvent être modifiés et testés, par exemple", explique le chercheur. Les cellules d'écoulement de hte GmbH sont uniques en ce sens que leur structure cellulaire fondamentale - la configuration du réacteur - peut être modifiée.
Un premier prototype de module de criblage avec quatre cellules électrochimiques disposées en parallèle a été livré et est en cours de validation. Nous sommes en train de l'étendre à 16 cellules parallèles. Ces réacteurs peuvent être utilisés dans le cadre d'études visant à optimiser l'électrolyse de l'eau, par exemple. Il s'agit de déterminer quels électrocatalyseurs et quelles membranes augmentent l'efficacité du processus. Grâce à leur conception modulaire, ils peuvent également être utilisés pour d'autres processus. Par conséquent, la conception actuelle des cellules permet de couvrir une variété de configurations de réacteurs - par exemple, avec différents espacements d'électrodes - illustrant le large éventail d'applications. Les nombreuses configurations de réacteurs permettent d'adapter la plateforme de criblage à différents domaines d'application. Ainsi, d'autres tâches peuvent être envisagées en plus de l'électrolyse de l'eau, comme la production d'ingrédients pharmaceutiques actifs ou la décomposition de déchets dans le cadre du traitement des eaux usées.
Selon les premières estimations, les essais en parallèle - rendus possibles par les nouvelles cellules d'écoulement électrochimique - pourraient accélérer jusqu'à quatre fois la sélection des catalyseurs par rapport aux approches classiques adoptées dans le cadre d'expériences à long terme. Au cours de l'année, les nouvelles cellules d'écoulement devraient être intégrées dans l'installation pilote de hte GmbH.
"En général, nous pouvons apporter des adaptations spécifiques à nos microréacteurs électrochimiques évolutifs afin qu'ils puissent être utilisés pour différents types de tâches. L'électrochimie connaît actuellement une renaissance, stimulée par la recherche de processus de synthèse verts et les efforts visant à l'utilisation directe de l'énergie (excessive) produite de manière durable", résume M. Löb.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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