Forskere forlænger holdbarheden af ​​elektrolysatorer, der kan omdanne kuldioxid til grønne kemikalier

Et internationalt forskerhold på DTU har øget holdbarheden af ​​elektrolysatorer, der omdanner CO₂ fra en halv dag til 100 timer. Dette er gode nyheder for virksomheder, der arbejder med processen. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Catalysis under titlen "Identifikation og lindring af holdbarhedsudfordringerne i membran-elektrode-samlingen til højhastigheds CO-elektrolyse."

For meget CO₂ i atmosfæren er en af ​​de største syndere bag den globale opvarmning. Men tænk, hvis vi kunne konvertere opfanget CO₂ til værdifulde grønne kemikalier – og det kan vi. Konverteringen er muliggjort gennem CO₂ elektrolyse, men processen er kompleks og dyr.

Forskere er nu et skridt tættere på udviklingen af ​​en teknologi, der kan transformere opfanget CO₂ til nyttige grønne kemikalier som ethylen og ethanol, som kan bruges i produktionen af ​​plastik.

Det meste af den plast, vi bruger i øjeblikket, er produceret af fossilbaserede kemikalier, som er ansvarlige for omkring 5 % af vores globale CO₂ emissioner. CO₂ elektrolyse tilbyder et grønt alternativ til fossilbaserede kemikalier, samtidig med at der bruges opfanget CO₂ som en ressource. Det betyder, at teknologien har et stort potentiale til at spille en rolle i samfundets grønne omstilling.

"Vi har fundet ud af hvorfor og hvor i den kemiske proces med elektrolyse af CO/CO₂ elektrolyseapparatet nedbrydes. Vores resultater giver klare retningslinjer for forskere og industrien om, hvordan man kan forlænge holdbarheden af ​​enheder til CO/CO₂ elektrolyse, som vil styrke kommercialiseringen af ​​teknologien,« siger DTU-professor Brian Seger.

Elektrolyse ved hjælp af CO₂

For at forstå vigtigheden af ​​resultaterne skal vi først forstå principperne for elektrolyse. Elektrolyse giver dig mulighed for at adskille stof i dets grundstoffer eller lave nye kemiske forbindelser. Det er en kendt kemisk proces, der finder sted ved at tilføje en elektrisk strøm til en elektrolyt, som er en opløsning eller smeltet forbindelse, der leder elektricitet.

Her vil elektrolyttens positive ioner blive tiltrukket af en katode, mens elektrolyttens negative ioner vil blive tiltrukket af en anode. Ved elektrolyse af vand (H₂ O), vil anoden i en vandfyldt elektrolysebeholder tiltrække ilt (O₂ ), mens katoden vil tiltrække brint (H₂ ), opdeler vandet i dets grundlæggende komponenter.

Det første mellemprodukt fremstillet af CO₂ elektrolyse er CO (kulilte). Herefter følger en CO-elektrolyse, hvorved de værdifulde kemikalier ethanol (alkohol, der kan bruges som brændstof) og ethylen (kulbrinte, som kan bruges til at lave plastmaterialet polyethylen) kan fremstilles.

Holdbarheden steg fra en halv dag til 100 timer

CO₂ elektrolyse er en kompleks proces i flere trin, og flere faktorer kan påvirke effektiviteten af ​​processen. En særlig udfordring er nedbrydningen af ​​anoden i elektrolytopløsningen, som fører til, at apparatet svigter efter cirka en halv dags brug. Dette gør processen meget dyr og vanskelig at skalere op til industriel brug.

Men da det netop er anodens holdbarhed, som forskerne har øget, kan der være godt nyt på vej for virksomheder, der arbejder med CO₂ elektrolyse.

Forskerne har vist, at en af ​​de største årsager til anodenedbrydning er produktionen af ​​acetat på katoden, hvor miljøet er basisk. Dette får eddikesyre til at dannes ved anoden og dermed sænke pH. Hvis materialet på anoden ikke kan klare den nu lave pH i elektrolyseopløsningen, vil det nedbrydes, og elektrolyseapparatet vil svigte efter ca. 12 timers brug.

Ved at fjerne acetatet og derved opretholde pH i elektrolytopløsningen har forskerne fundet ud af, at anodens holdbarhed kan forlænges fra et halvt døgn til mere end 100 timer. Mens forskerne opnåede dette ved manuelt at udskifte elektrolyseopløsningen hver 12. time, når pH-værdien blev for lav, kunne et simpelt filter løse dette, når det kommercialiseret.

"Vores retningslinjer fortæller forskere og industrien, at de skal overvåge pH-værdien på anolytsiden for at opretholde en pH-værdi, der ikke tærer på anoden. Dette er et enkelt, men afgørende punkt for de virksomheder, der allerede er i gang med at kommercialisere teknologi,« siger DTU-professor Brian Seger.

Flere oplysninger: Qiucheng Xu et al., Identifikation og lindring af holdbarhedsudfordringerne i membran-elektrode-samlingsenheder til højhastigheds CO-elektrolyse, Naturkatalyse (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01034-y

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af Danmarks Tekniske Universitet