Переработка CO2: Какова роль электролита?

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 27 апреля 2023 г., 14:55:28 MSK
  • 0 комментариев
  • 73 просмотра
Парниковый газ углекислый газ может быть преобразован в полезные углеводороды путем электролиза. Конструкция электролизера имеет решающее значение в этом процессе. Так называемая ячейка с нулевым зазором особенно подходит для промышленных процессов. Но проблемы все еще есть: катоды быстро засоряются.

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

0 комментариев