Low Energy Anodes for Sustainable Electrowinning

I vårt moderne samfunn er vi helt avhengig av tilgang til en rekke materialer som utvinnes direkte eller indirekte fra mineralforekomster i jordskorpen. Metaller er en spesielt viktig klasse av slike materialer. Metaller brukes i ustrakt grad som konstruksjonsmaterialer i biler, fly og bygninger. I tillegg øker behovet for bestemte metaller på grunn av økt produksjon av for eksempel batterier og elektronisk utstyr som PC'er og smarttelefoner. Dette fører både til en økning og en dreining av etterspørselen etter metaller som nikkel, sink, kobber og kobolt. De fleste metaller er ikke fritt tilgjengelige i naturen, men må utvinnes fra det naturlig forekommende mineralet. Nikkel, kobolt, kobber og sink utvinnes i Norge ved en prosess som kalles elektrolyse. I elektrolyse sendes en elektrisk strøm mellom to elektroder i en løsning slik at det dannes metall på den ene elektroden. Dette krever store mengder elektrisk energi. Den elektriske kraften som går med til utvinning av nikkel, kobber, kobolt og sink svarer til omtrent 1 % av det norske forbruket av elektrisk kraft. I lys av klimautfordringene er det viktig å redusere dette energiforbruket så mye som mulig. I LEAn-prosjektet arbeider NTNU og SINTEF sammen med Glencore Nikkelverk (kobber, nikkel og kobolt), Boliden Odda (sink) og Permascand (katalysatorer) for å utvikle alternative katalysatorer som reduserer energiforbruket i vandig metallframstilling. I den første prosjektperioden har prosjektet designet og bygget spesialceller for måling av både katalysatorenes ytelse og av degraderingshastigheter; karakterisering av degraderingsprosesser er en spesielt viktig og ofte oversett del av utviklingen av nye katalysatorer. En katalysator som ikke har den tilstrekkelige levetid vil ikke kunne benyttes i industrielle anvendelser uansett ytelse. LEAn-prosjektet legger særlig stor vekt på forståelse av degradering av både eksisterende katalysatorer og av de katalysatorer utviklet i prosjektet. Dette gjør en sammenligning mellom eksisterende og de nye katalysatorene mht. et bredt spektrum av egenskaper mulig.

Metal electrowinning is the process of extracting a metal from its ore by electrochemical processes. In aqueous electrowinning the ore from which the metal is to be extracted is dissolved into an electrolytic solution containing two electrodes. A voltage is applied between the two electrodes, and the metal is deposited at the negative electrode. Typically, oxygen is evolved at the positive electrode, i.e. at the anode. The annual energy consumption associated with this industry in Norway is on the scale of TWh. The energy consumption associated with the process is substantial, particularly at the anode, but can be brought down by employing catalysts. Thus, if the lead anodes that currently dominate the industry are replaced by anodes containing iridium, the energy consumption may be reduced by 15 %. However, iridium is costly (115 € per gram) and scarce (annual global production < 10 ton); facing soaring iridium prices and an anode lifetime of only 5 years, it may pay off for companies to continue their use of the cheaper lead anodes and sustain the accompanying energy loss. The LEAn project pursues alternative, energy efficient anodes with a catalytic activity that matches that of iridium-based anodes, but with a longer lifetime and that avoids the use of costly and scarce elements. Since only anode compositions that are at the outset expected to be stable under the rather harsh conditions of metal electrowinning, durability is built into the development work from the start. The challenges consist of finding compositions that are in addition both conductive, catalytically active, and have other necessary properties required for the application, including aspects of bath impurities and gas evolution. A range of sophisticated experimental and theoretical methods will be employed to achieve the goals. For risk mitigation, the project will include iridium in the composition space to be investigated, in this part of the project focusing on iridium thrift.