Zespół naukowców z Rice University odkrył zaskakująco prostą metodę znacznie poprawy stabilności urządzeń elektrochemicznych, które przekształcają dwutlenek węgla w przydatne paliwa i chemikalia, i nie wiąże się z wysyłaniem CO2 przez bąbelek kwasowy.
Ich badanie, opublikowane w Science, odnosi się do głównego wąskiego gardła w zakresie wydajności i stabilności systemów redukcji CO2: gromadzenie się soli, które zatyka kanały przepływu gazu, zmniejsza wydajność i powoduje przedwcześnie upadek urządzeń. Korzystając z techniki, które nazywają CO2 z kwasem, naukowcy przedłużyli żywotność operacyjnego systemu redukcji CO2 ponad 50-krotnie, wykazując ponad 4500 godzin stabilnej pracy w skalowanym reaktorze-kamień milowy dla pola.
Elektrochemiczna redukcja CO2 lub CO2RR to rozwijająca się zielona technologia, która wykorzystuje energię elektryczną, najlepiej ze źródeł odnawialnych, do przekształcania CO2 o ciepłym klimatu w cenne produkty, takie jak tlenek węgla, etylen lub alkohole. Produkty te można dalej udoskonalić paliwa lub wykorzystać w procesach przemysłowych, potencjalnie zamieniając poważne zanieczyszczenie w surowiec.
Jednak praktyczne wdrożenie było utrudnione przez słabą stabilność systemu. Jednym z trwałych problemów jest akumulacja soli wodorowęglanowych potasu w kanałach przepływu gazu, które występują, gdy jony potasowe migrują z anolitu przez błonę wymiany anionowej do strefy reakcji katody i łączą się z CO2 w wysokim pH.
„Opady solne blokuje transport CO2 i zalewa elektrodę dyfuzji gazu, która prowadzi do awarii wydajności” – powiedział Hootian Wang, odpowiedni autor badania i profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej, nauk o materiałach oraz nanoinżyning i chemia w ryżu. „Zazwyczaj dzieje się to w ciągu kilkuset godzin, co jest dalekie od żywotności komercyjnej”.
Aby to walczyć, zespół Rice wypróbował elegancki zwrot standardowej procedury. Zamiast używać wody do nawilżania wejścia gazu CO2 do reaktora, buldowali gazem przez kwasowy roztwór, taki jak chlorowodorz, kwas mrozowy lub octowy.
Para z kwasu jest przenoszona do komory reakcji katody w śladowych ilościach, wystarczy, aby zmienić lokalną chemię. Ponieważ sole utworzone z tymi kwasami są znacznie bardziej rozpuszczalne niż wodorowęglan potasu, nie krystalizują i nie blokują kanałów.
Efekt był dramatyczny. W testach wykorzystujących katalizator srebra-wspólny punkt odniesienia do przekształcania CO2 na tlenek węgla-system działał stabilnie przez ponad 2000 godzin w urządzeniu z skali laboratoryjnej i ponad 4500 godzin w 100-centymetrowym elektrolizeru. Natomiast systemy z wykorzystaniem standardowego CO2 z wodą nie powiodły się po około 80 godzinach z powodu gromadzenia się soli.
Co ważne, metoda z kwasem stała się skuteczna w wielu typach katalizatorów, w tym tlenku cynku, tlenku miedzi i tlenku bizmutowego, z których wszystkie są wykorzystywane do celowania różnych produktów CO2RR. Naukowcy wykazali również, że metodę można skalować bez uszczerbku dla wyników na dużą skalę, utrzymując efektywność energetyczną i unikając zablokowania soli w dłuższych okresach.
Zaobserwowali minimalną korozję lub uszkodzenie błon wymiany anionowej, które są zwykle wrażliwe na chlorek, utrzymując niskie stężenia kwasu. Wykazano również, że podejście to jest kompatybilne z powszechnie stosowanymi membranami i materiałami, wzmacniając jego potencjał integracji z istniejącymi systemami.
Aby zaobserwować tworzenie soli w czasie rzeczywistym, zespół używał niestandardowych reaktorów z przezroczystymi płytkami przepływowymi. Przy konwencjonalnym nawilżaniu wody kryształy soli zaczęły tworzyć się w ciągu 48 godzin. Jednak przy kwasowym CO2 nie zaobserwowano znaczącej akumulacji kryształów nawet po setkach godzin, a wszelkie małe depozyty ostatecznie rozpuszczono i przeprowadzono z układu.
„Stosując tradycyjną metodę CO2 na wodzie, może prowadzić do tworzenia soli w kanałach przepływu gazu katodowego”-powiedział autor First Shaoyun Hao, postoktorancki współpracownik w inżynierii chemicznej i biomolekularnej w ryżu. „Postawiliśmy hipotezę – i potwierdziliśmy – że pary kwasowe może rozpuścić sól i przekształcić niską rozpuszczalność KHCO3 w sól z większą rozpuszczalnością, co zmieniając równowagę rozpuszczalności wystarczającą, aby uniknąć zatkania bez wpływu na działanie katalizatora”.
Praca otwiera drzwi do bardziej trwałych, skalowalnych elektrolizerów CO2, co jest krytyczną potrzebą, jeśli technologia ma być wdrażana w skalach przemysłowych w ramach strategii przechwytywania węgla i wykorzystania. Prostota tego podejścia, obejmująca tylko małe poprawki do istniejących konfiguracji nawilżania, oznacza, że można go przyjąć bez znaczących przeprojektowania lub dodatkowych kosztów.
„Jest to główne odkrycie elektrolizy CO2”-powiedział Ahmad Elgazzar, współistniejący autor i absolwent inżynierii chemicznej i biomolekularnej w Rice. „Nasza metoda dotyczy długotrwałej przeszkody z tanim, łatwo wdrażanym rozwiązaniem. Jest to krok w kierunku, aby technologie wykorzystania węgla są bardziej opłacalne i zrównoważone”.
Prace te były wspierane przez Robert A. Welch Foundation, Rice, National Science Foundation oraz David and Lucile Packard Foundation.