Brug af bifunktionelle ionomerer som elektrolytter til at syntetisere ethylen ud fra kuldioxid

I løbet af det sidste århundrede eller deromkring har menneskelige aktiviteter ført til en hurtig forringelse af miljøet på Jorden med skadelige virkninger såsom klimaændringer og en stigning i atmosfærisk CO₂ . Mange videnskabsmænd verden over har således forsøgt at udtænke nye teknologier og løsninger, der kan hjælpe med at tackle disse eksisterende miljøproblemer.

En mulig måde at reducere tilstedeværelsen af ​​CO₂ i atmosfæren er at udtænke effektive strategier til at genanvende CO₂ og omdanne det til flydende brændstoffer eller andre industrielle materialer, ideelt set ved at bruge bæredygtigt produceret elektricitet. For at gøre dette bør forskere dog være i stand til at producere meget værdifulde produkter fra CO₂ ved strømtætheder i industriel skala ved brug af en lav mængde elektrisk energi.

Forskere ved Wuhan University har for nylig introduceret en ny strategi, der kan bruges til at syntetisere ethylen, en brændbar kulbrintegas, fra CO₂ og rent vand. Denne strategi, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Energy , indebærer brugen af ​​bifunktionelle ionomerer, en reaktiv polymer, som polymerelektrolytter for at aktivere CO₂ og muliggør dens effektive co-elektrolyse med vand for at producere ethylen.

"Mange CO₂ elektrolysatorer under udvikling bruger flydende elektrolytter (f.eks. KOH-opløsninger), men brug af faststofpolymerelektrolytter kan i princippet forbedre effektiviteten og realisere co-elektrolyse af CO₂ og rent vand, der undgår problemer med korrosion og elektrolytforbrug," skrev Wenzheng Li og hans kolleger i deres papir. "Men en vigtig udfordring i disse systemer er, hvordan man favoriserer produktion af multicarbon-molekyler, såsom ethylen, som typisk kræver en stærk alkalisk miljø."

At syntetisere ethylen fra CO_2, Li og hans kolleger brugte en alkalisk polymerelektrolyt (APE), som kan bringe afstanden mellem katoder og anoder ned til mindre end titusvis af mikrometer i membranelektrodesamlingsarkitekturer (MEA). Dette kan igen reducere det såkaldte interne ohmske tab (dvs. fald i spænding forårsaget af overførsel af elektroner i kredsløb eller bevægelse af ioner gennem elektrolytter og membraner), hvilket forbedrer teknologiens energikonverteringseffektivitet ved høje strømtætheder.

"Vi bruger bifunktionelle ionomerer som polymerelektrolytter, der ikke kun er ionisk ledende, men også kan aktivere CO₂ ved katalysator-elektrolyt-grænsefladen og favoriserer ethylensyntese, mens de kører på rent vand," skrev Li og hans kolleger i deres papir. polymerkæde, som den bifunktionelle elektrolyt."

Polymerelektrolyt foreslået af Li og hans kolleger kunne markant overgå flydende elektrolytter, som er integreret i de fleste eksisterende CO₂ elektrolysatorer, da det kunne forbedre enhedernes energieffektivitet. Mest bemærkelsesværdigt var holdet i stand til at gøre den ionomer, de brugte, bifunktionel, så den ville være ionisk ledende og aktivere CO_2, forstyrre den reaktion, der er nødvendig for at reducere den til ethylen.

Forskerne evaluerede deres elektrolyt ved at integrere den i en elektrolysator, der kører på CO₂ og rent vand. I disse test fandt de ud af, at deres polymerelektrolyt øgede ethylens selektivitet til 50 %, selv i fravær af et stærkt alkalisk miljø.

"Elektrolysatoren kører på CO₂ og rent vand udviser en samlet strømtæthed på 1.000 mA cm ⁻² ved cellespændinger så lave som 3,73 V. Ved 3,54 V," skrev Li og hans kolleger i deres papir. "Ethylen produceres med den partielle strømtæthed i industriel skala på 420 mA cm ⁻² uden elektrolytforbrug."

Det seneste arbejde fra dette hold af forskere åbner nye muligheder for omdannelse af CO₂ til ethylen i industriel skala. I fremtiden kan det inspirere til lignende tilgange til syntetisering af kulbrinter eller andre industrielle gasser fra CO₂ ved anvendelse af alkaliske polymerelektrolytter. + Udforsk yderligere

Ny hybridelektrolyt til højtydende Li-ion-batterier

© 2022 Science X Network