При сжигании нефти, угля или природного газа образуется углекислый газ, или CO2 Этот знаменитый парниковый газ является основной причиной глобального потепления, но он также является сырьем. Технически возможно преобразовать CO2 в полезные соединения углерода - процесс, требующий энергии, воды, подходящих электродов и специальных катализаторов. СП2 может быть электрохимически преобразован в монооксид углерода, формиат или метан, а также в этилен, пропанол, ацетат и этанол. Однако промышленные процессы должны быть спроектированы таким образом, чтобы они были высокоселективными и чрезвычайно эффективными для получения только желаемых продуктов, а не смеси продуктов.
Преобразование CO2 обратно в топливо
"Путем электролитического восстановления CO2 что касается полезных углеводородов, то мы можем производить новые виды топлива, не используя ископаемые ресурсы. Таким образом, мы ставим СО2 снова в цикл, точно так же, как переработка отходов", - объясняет доктор Мэтью Майер, руководитель группы молодых исследователей имени Гельмгольца "Электрохимическое преобразование" в HZB. Электрическая энергия для электролиза может быть получена за счет возобновляемых источников энергии ветра или солнца, что делает процесс устойчивым.
Ячейка с нулевым зазором: сэндвич из многих слоев
Со школьной скамьи мы знаем, что электролиз можно проводить в простом стакане с водой; дальнейшим развитием этого является H-элемент, который имеет форму буквы H. Однако такие элементы не подходят для промышленного использования. Вместо этого промышленные электролизеры спроектированы с многослойной архитектурой, состоящей из нескольких слоев: справа и слева расположены электроды, которые проводят ток и покрыты катализаторами - газодиффузионным слоем на основе меди, который пропускает CO2 газ и разделительная мембрана. Электролит (здесь подаваемый на анод и называемый анолитом) состоит из растворенных соединений калия и позволяет ионам перемещаться между электродами. Мембрана сконструирована таким образом, чтобы пропускать отрицательно заряженные ионы и блокировать положительно заряженные ионы калия.
Проблема: кристаллы калия
Тем не менее, ионы калия из электролита проходят через мембрану и образуют крошечные кристаллы на катоде, закупоривающие поры. "Этого не должно было случиться", - говорит Флора Хаун, аспирантка из команды Мэтью Майера. Используя сканирующую электронную микроскопию и другие методы визуализации, ученые смогли детально изучить процесс образования кристаллов на катоде. "С помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа мы смогли определить местонахождение отдельных элементов и точно показать, где образуются кристаллы калия", - объясняет Флора Хаун.
Исследования показали, что чем больше калия содержится в электролите, тем сильнее засоряется катод. Но простого способа решить проблему нет: снижение концентрации калия хорошо, с одной стороны, но плохо - с другой, поскольку равновесие реакции также смещается: вместо желаемого этилена образуется монооксид углерода.
Электролит - это ключ к разгадке
"Наиболее важным наблюдением является то, что катионы все еще могут проникать через анионообменную мембрану, но в той степени, которая зависит от концентрации электролита. И что с помощью концентрации электролита мы одновременно регулируем, какие продукты образуются из CO2," - говорит доктор Гумаа Эль Нагар, постдокторский исследователь в команде. "На следующем этапе мы хотим использовать измерения operando и in situ с использованием рентгеновских лучей, чтобы детально выяснить, как миграция ионов в клетке влияет на процессы химических реакций", - говорит Мэтью Майер.
Комментарии