Forskere udvikler et højeffektivt kuldioxid-elektroreduktionssystem til at reducere CO2-fodaftrykket

Global opvarmning udgør fortsat en trussel mod det menneskelige samfund og økologiske systemer, og kuldioxid tegner sig for den største andel af de drivhusgasser, der dominerer klimaopvarmningen.

For at bekæmpe klimaændringer og bevæge sig mod målet om kulstofneutralitet har forskere fra The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) udviklet en holdbar, meget selektiv og energieffektiv kuldioxid (CO₂ ) elektroreduktionssystem, der kan omdanne CO₂ til ethylen til industrielle formål for at give en effektiv løsning til reduktion af CO₂ emissioner.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Energy og vandt en guldmedalje ved den 48. internationale udstilling for opfindelser i Genève i Schweiz.

Ethylen (C₂ H₄ ) er et af de mest efterspurgte kemikalier globalt og bruges hovedsageligt til fremstilling af polymerer såsom polyethylen, som igen kan bruges til at fremstille plastik og kemiske fibre, der almindeligvis anvendes i dagligdagen. Det er dog stadig for det meste opnået fra petrokemiske kilder, og produktionsprocessen involverer skabelsen af ​​et meget betydeligt CO2-fodaftryk.

Anført af prof. Daniel Lau, professor i nanomaterialer og leder af Institut for Anvendt Fysik, tog forskerholdet metoden til elektrokatalytisk CO₂ til sig. reduktion – brug af grøn elektricitet til at omdanne kuldioxid til ethylen, hvilket giver et mere miljøvenligt alternativ og stabil ethylenproduktion.

Forskerholdet arbejder på at fremme denne nye teknologi for at bringe den tættere på masseproduktion, lukke kulstofkredsløbet og i sidste ende opnå kulstofneutralitet.

Prof. Laus innovation er at undvære alkalimetalelektrolytten og bruge rent vand som en metalfri anolyt for at forhindre dannelse af karbonat og saltaflejring. Forskerholdet kalder deres design for APMA-systemet, hvor A står for anion-udvekslingsmembran (AEM), P repræsenterer protonudvekslingsmembranen (PEM), og MA angiver den resulterende membransamling.

Når en alkalimetalfri cellestabel indeholdende APMA og en kobberelektrokatalysator blev konstrueret, producerede den ethylen med en høj specificitet på 50%. Det var også i stand til at fungere i over 1.000 timer ved en strøm på industrielt niveau på 10A – en meget betydelig forlængelse af levetiden i forhold til eksisterende systemer, hvilket betyder, at systemet nemt kan udvides til industriel skala.

Yderligere test viste, at dannelsen af ​​carbonater og salte blev undertrykt, mens der ikke var noget tab af CO₂ eller elektrolyt. Dette er afgørende, da tidligere celler, der brugte bipolære membraner i stedet for APMA, led af elektrolyttab på grund af diffusionen af ​​alkalimetalioner fra anolytten. Dannelsen af ​​brint i konkurrence med ethylen, et andet problem, der påvirker tidligere systemer, der brugte sure katodemiljøer, blev også minimeret.

Et andet nøgletræk ved processen er den specialiserede elektrokatalysator. Kobber bruges til at katalysere en lang række reaktioner på tværs af den kemiske industri. Den specifikke katalysator, som forskerholdet brugte, udnyttede dog nogle karakteristiske træk.

De millioner af kobberkugler i nanoskala havde rigt teksturerede overflader med trin, stablingsforkastninger og korngrænser. Disse "defekter" - i forhold til en ideel metalstruktur - gav et gunstigt miljø for reaktionen.

Prof. Lau sagde:"Vi vil arbejde på yderligere forbedringer for at øge produktselektiviteten og søge samarbejdsmuligheder med industrien. Det er klart, at dette APMA-celledesign understøtter en overgang til grøn produktion af ethylen og andre værdifulde kemikalier og kan bidrage til reduktion af kulstofemissioner og opnåelse af målet om kulstofneutralitet."

Flere oplysninger: Xiaojie She et al, Rent-vand-fodret, elektrokatalytisk CO2-reduktion til ethylen ud over 1.000 timers stabilitet ved 10 A, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01415-4

Journaloplysninger: Naturenergi

Leveret af Hong Kong Polytechnic University