Новая архитектура устройства обеспечивает оптимизированную производство муравьиной кислоты из Co₂ с использованием возобновляемой электроэнергии

Новая архитектура перфорированной катионной обменной мембраны (CEM) в электролизере CO2 для достижения энергоэффективной и долговечной продукции муравьиной кислоты.Кредит: Природная связь (2023).Doi: 10.1038/s41467-023-43409-6

Углекислый газ (CO2) является как важным ресурсом для жизни на Земле, так и парниковым газом, способствующим глобальному потеплению.Сегодня ученые исследуют CO2 как многообещающий ресурс, который можно использовать для создания возобновляемого низкоуглеродистого топлива и химических продуктов с высокой стоимостью.

Задача для исследователей заключалась в том, чтобы выявить эффективные и экономически эффективные пути конверсии CO2 в премиальные промежуточные продукты, такие как угарный газ, метанол или муравьиная кислота.

Исследовательская группа во главе с К.С.Нейерлин в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), где члены Аргоннской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Ок -Ридж обнаружили многообещающее решение этой проблемы.Команда разработала путь конверсии для производства муравьиной кислоты из CO2 с высокой энергоэффективностью и долговечностью при использовании возобновляемой электроэнергии.

Исследование под названием «Архитектура сборки масштабируемой мембранной электроды для эффективного электрохимического преобразования CO2 в муравьиную кислоту» было опубликовано в природе.

Уравновешенная кислота является потенциальным промежуточным химическим веществом с широким спектром применений, особенно в качестве сырья для химической или биопроизводственной промышленности.Муравьиная кислота также была идентифицирована как вход для биологического обновления в устойчивое авиационное топливо.

Когда электрический потенциал применяется к ячейке электролицера, электролиз CO2 приводит к восстановлению CO2 в химические промежуточные продукты, такие как муравьиная кислота или молекулы, такие как этилен.

Узел мембранного электрода (MEA) в ячейке электролицера обычно включает в себя ионически проводящую мембрану (катион или анионный обмен), нажимая между двумя электродами, состоящими из электрокатализаторов и ионно проводящих полимеров.

Используя опыт команды в топливных элементах и технологии электролиза водорода, они исследовали несколько конфигураций MEA в ячейке электролицеров для сравнения электрохимического восстановления CO2 с муравьиной кислотой.

Основываясь на анализе сбоев для различных конструкций, команда стремилась использовать ограничения в текущих наборах материалов, в частности, отсутствие ионного исключения в современных анионных мембранах и упростила общую конструкцию системы.

Получающееся изобретение Nrel’s K.C.Neyerlin и Leiming Hu были электролицером MEA, модифицированной новой перфорированной катионной обменной мембраной.Эта перфорированная мембрана помогла достичь стабильной выработки муравьиной кислоты с высокой выборкой, и она упрощает дизайн с помощью компонентов с полки.

«Результатом этого исследования является сдвиг парадигмы в электрохимической продукции органических кислот, таких как муравьиная кислота», - сказал автор Нейерлин.«Перфорированная мембранная архитектура уменьшает сложность предыдущих конструкций, а также может быть использована для повышения энергоэффективности и долговечности для других электрохимических устройств преобразования CO2».

Как и в случае любого исследования исследования, важно понять драйверы затрат и экономическую жизнеспособность.Благодаря сотрудничеству по межректорату исследователи NREL Zhe Huang и Ling Tao предоставили техноэкономический анализ, идентифицирующий пути к паритету затрат с современными производственными процессами промышленной муравьиной кислоты, когда затраты на возобновляемые источники электроэнергии были или ниже 2,3 цента за кВтч.

«Команда достигла этих результатов благодаря коммерчески доступным катализаторам и полимерным мембранным материалам, создавая дизайн MEA, которая использует масштабируемость сегодняшних стеков топливных элементов и электролиза водорода», - сказал Нейерлин.

«Результаты этого исследования могут обеспечить более быстрый переход к масштабе и коммерциализации с использованием возобновляемого электроэнергии и водорода для преобразования CO2 в топливо и химические вещества».

Технологии электрохимического преобразования являются основным столпом инициативы «Электроны» NREL в молекулах, которая фокусируется на процессах, управляемых электроэнергией, для будущего поколения возобновляемого водорода, чисто-нулевого топлива, химикатов и материалов.

«Наша инициатива - исследование путей, которые используют возобновляемые электроэнергии для преобразования молекул, таких как CO2 и вода в соединения, которые могут выступать в качестве энергетических носителей и/или предшественников для создания топлива или химикатов», - сказал Рэнди Кортрайт, стратегический лидий NREL для электронов на молекулы.

«Это исследование электрохимического преобразования обеспечивает прорыв, который можно использовать в ряде процессов электрохимической конверсии, и мы с нетерпением ждем дополнительных многообещающих результатов этой группы».

Больше информации: Leiming Hu et al., Масштабируемая архитектура сборочного мембранного электрода для эффективного электрохимического преобразования CO2 в муравьиную кислоту, природную связь (2023).Doi: 10.1038/s41467-023-43409-6