Химики-технологи обнаружили удивительно простой способ повысить стабильность электрохимических устройств, преобразующих углекислый газ (CO₂) в полезное топливо и химические вещества.
Их подход, который включает пропускание CO₂ через кислоту вместо воды, уменьшает накопление солей в системе восстановления CO₂, продлевая срок её службы более чем в 50 раз.
«Это важное открытие для электролиза CO₂», — говорит Ахмад Эльгаззар, аспирант в области химической и биомолекулярной инженерии в Университете Райса в Хьюстоне, штат Техас, и соавтор статьи, описывающей исследование в журнале Science.
«Наш метод решает давнюю проблему с помощью недорогого и легко реализуемого решения. Это шаг к тому, чтобы сделать технологии использования углерода более коммерчески жизнеспособными и устойчивыми».
Преодоление препятствий на пути к промышленному масштабу
Электрохимическое восстановление CO₂, использующее возобновляемую энергию, может быть использовано для преобразования CO₂, захваченного из атмосферы или из точечного источника, в ряд полезных продуктов, таких как монооксид углерода, муравьиная кислота, метанол, метан, этилен, этанол и пропанол.
Однако на пути внедрения технологии в промышленном масштабе стоят проблемы. Одной из таких проблем являются соли бикарбоната калия.
«Выпадение солей блокирует транспорт CO₂ и заполняет газодиффузионный электрод, что приводит к снижению производительности», — говорит доктор Хаотянь Ван, автор исследования и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Райсе.
«Обычно это происходит в течение нескольких сотен часов, что далеко от коммерческой жизнеспособности».
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали кислотные растворы, такие как соляная, муравьиная или уксусная кислота, вместо воды для увлажнения газа CO₂.
«Использование традиционного метода с увлажнённым водой CO₂ может привести к образованию солей в газовых потоках катода», — говорит соавтор исследования доктор Шаоюнь Хао, научный сотрудник в области химической и биомолекулярной инженерии в Райсе.
«Мы предположили — и подтвердили — что кислотный пар может растворить соль и превратить малорастворимый бикарбонат калия в соль с более высокой растворимостью».
Они обнаружили, что любые небольшие отложения солей в конечном итоге растворялись и выводились из системы.
В тестах с использованием катализатора на основе наночастиц серебра — общего эталона для преобразования CO₂ в монооксид углерода — система стабильно работала более 2000 часов в лабораторном устройстве и более 4500 часов в электролизёре площадью 100 см².
Для сравнения, команда обнаружила, что системы, использующие стандартный увлажнённый водой CO₂, выходили из строя примерно через 80 часов из-за накопления солей.
Их новый подход также был эффективен при использовании с несколькими различными катализаторами, включая оксид меди и оксид висмута, которые используются для получения различных продуктов восстановления CO₂. Его также можно внедрить без значительных переделок и дополнительных затрат.
«Наше исследование представило простую в проектировании и надёжную стратегию повышения стабильности реакции восстановления CO₂ без ущерба для селективности реакции или напряжения на ячейке, расширяя горизонты коммерческого применения электролизёров с мембранным электролитом для реакции восстановления CO₂».