Kuldioxidelektrotransformation til værditilvækstkemikalier i ioniske væskebaserede elektrolytter

Brugen af ​​fossile brændstoffer som energibærere og råvarer fremmer den hurtige samfundsudvikling. Imidlertid, overdreven udnyttelse af fossile brændstoffer har givet anledning til en energikrise og uønskede miljøændringer. I særdeleshed, en kontinuerlig stigning i CO ₂ koncentration i atmosfæren, som er> 400 ppm i dag og anslås at tredobles i 2040, kan resultere i en række miljøspørgsmål, såsom global opvarmning, stigende havniveau, og mere ekstremt vejr. Derfor, skæring af CO ₂ emissioner og udvikling af rigelig vedvarende energi er presserende behov og udfordringer for vores samfund.

CO ₂ er ikke kun en af ​​de vigtigste drivhusgasser, men også en rigelig, ikke -giftig, ikke-brændbar, og vedvarende C1 -ressource. Elektrokemisk omdannelse af CO ₂ er en attraktiv måde at genbruge CO ₂ til værditilvækstprodukter og gør det muligt at lagre elektrisk energi i kemisk form. Som en vigtig komponent i elektrokatalyseprocessen, elektrolytten interagerer med elektrodeoverfladerne, reaktanter, og mellemprodukter, som spiller en nøglerolle inden for ladetransport. Forskellige elektrolytter er blevet undersøgt for at fremme udviklingen af ​​CO ₂ elektrokemisk konverteringsteknologi.

Ioniske væsker (IL'er) er organiske salte sammensat af kationer og anioner med smeltepunktet under 100 C. Mange af dem er væsker, selv ved stuetemperatur. IL'er har vist sig at være de meget lovende kandidatelektrolytter til den elektrokemiske omdannelse af CO ₂ på grund af deres unikke strukturelle egenskaber og fysiske egenskaber, f.eks., høj absorptionskapacitet af CO ₂ , høj iboende ionisk ledningsevne, og brede elektrokemiske potentielle enker.

I en ny oversigt offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved Institut for Kemi, Det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, Kina præsenterer de seneste fremskridt inden for elektrokemisk transformation af CO ₂ til værditilvækstkemikalier i IL-baserede elektrolytter. Medforfattere Xingxing Tan, Xiaofu Sun, og Buxing Han sporer historien om udviklingen af ​​CO ₂ elektrokemisk transformation i IL-baserede elektrolytter; de gennemgår også det repræsentative IL -system, elektrokatalysatorer, og reaktorkonfigurationer anvendt i CO ₂ elektrokemisk transformation.

Disse forskere skitserer ligeledes de mulige udviklingsretninger for IL-baserede elektrolytter for CO ₂ elektrokemisk transformation.

"Typisk, CO ₂ elektrisk reduktion (CO ₂ ER) og CO ₂ elektroorganisk transformation (CO2EOT) er to vigtige ruter til omdannelse af CO ₂ til værditilvækst kulstofbrændstoffer og kemikalier. CO ₂ electroreduction repræsenterer en væsentlig tilgang til CO ₂ udnyttelse, hvor CO ₂ kunne omdannes til mange platformkemikalier gennem konstruktionen af ​​CH-binding, såsom kulbrinter, syrer, og alkoholer. Ud over, CO ₂ kan bruges som en af ​​reaktanterne til at reagere med forskellige substrater (f.eks. alkener, alkyner, ketoner, epoxider, aziridiner, eller propargyliske aminer) til syntetisering af carboxylsyrer, cykliske carbonater, og oxazolidinonderivater gennem konstruktion af C-C, C-O, eller C-N-bindinger, "står der i en artikel med titlen" Ioniske væskebaserede elektrolytter til CO ₂ Elektroreduktion og CO ₂ Elektroorganisk transformation. "

"Det typiske system for CO ₂ ER består af anode- og katoderum adskilt af en protonudvekslingsmembran. Begge CO ₂ reduktion og HER finder sted ved katoden drevet af elektrisk energi over katalysatoren. CO ₂ EOT udføres normalt i udelte celler, "tilføjer de." Elektrolytten påtager sig rollen som transport af ladearter. Undersøgelser har vist, at IL'er kunne reducere den oprindelige barriere for CO ₂ omdannelse ved at sænke dannelsesenergien for CO ₂ - mellemprodukt. I øvrigt, den konkurrerende brintudviklingsreaktion (HER) kunne undertrykkes i nærvær af IL'er, hvilket kan være gunstigt for at forbedre selektiviteten af ​​CO ₂ konvertering."

Syngas blev opnået ved elektrolysering af superkritisk CO ₂ og vand i 1-butyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat ([Bmim] PF6) elektrolyt i 2004. Reduktion af CO ₂ til CO med en faradaisk effektivitet (FE) på 96 % blev opnået i et elektrokatalytisk system med Ag-katode og 18 mol % 1-ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat ([Emim] BF4) opløsningselektrolyt i 2011, som blev markeret som et vigtigt gennembrud i udviklingen af ​​IL -elektrolytter til CO ₂ ER.

DMC er næsten det mest undersøgte produkt af CO2EOT, der involverer brug af IL'er. "Elektrokatalytisk fiksering af CO ₂ til epoxider eller alkoholer for at give organiske carbonater via C-O-bindingsdannelse kan undgå brug af giftigt phosgen eller CO, tilvejebringelse af en grøn og atomøkonomisk vej til syntese af organiske carbonater, "oplyser de.

"Yderligere forbedring af ydeevnen ved elektrokemisk omdannelse af CO ₂ kan opnås ved at designe nye funktionelle IL-baserede elektrolytter og udforske innovative elektrokatalysatorer og optimerede elektrode/reaktorkonfigurationer. Det vil også have stor betydning at bruge CO ₂ som C1-synthon til at fremstille mere forskelligartede kemikalier ved konstruktion af forskellige slags C-X-bindinger, ligesom C-Si, C-P, C-S obligationer, "forudsiger forskerne.

"Den nuværende fremgang i elektrokemisk transformation af CO ₂ bør tage fat på den store overpotentiale, lav strømtæthed, utilfredsstillende produktselektivitet og hastende hastighed, især for værditilvækst C2+ produkter, "tilføjer de." IL'er anses for at tilbyde et stort potentiale for CO ₂ konverteringsteknologi. Elektrokemisk transformation af CO ₂ i IL-baseret elektrolyt forventes at integrere CO ₂ fiksering med vedvarende elektricitetslager, giver en vej til at lukke den menneskeskabte kulstofcyklus. "