Ионовый жидкий электролит обеспечивает эффективное преобразование CO₂ в топливо и химические вещества

Производство углеводородов происходит через два промежуточных соединения, образованных на поверхности серебряного электрода, образуя полезные углеводороды, такие как этилен, этан, пропилен и пропан.Кредит: Такуя Гото / Университет Дошиша

Чтобы продвинуть текущие исследования эффективного электрохимического преобразования, ученые из Университета Дошиша ввели экономически эффективный метод для производства ценных углеводородов из CO2.Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta.

Исследовательская группа, возглавляемая профессором Такуйей Гото и в том числе г -жа Сая Носаки из Высшей школы науки и инженерии, а также доктора Юта Сузуки из научного научного института Харриса, создала этилен и пропан на основном серебряном (AG) электроде, используя электрод серебряным (AG), используя электрод.Ионная жидкость, содержащая металлические гидроксиды в качестве электролита.

«Большинство исследований электролиза CO2 с жидким электролитом в комнате-температуре сосредоточены на каталитических свойствах электрода. В этом новаторском исследовании мы сосредоточились на электролите и преуспели в создании ценного углеводородного газа даже на простом металлическом электроде»,-говорит проф. Гото.

Ионные жидкости предлагают уникальные преимущества для электрохимического восстановления CO2.Они работают в широком диапазоне напряжений без разлагаемого, неплохими и имеют высокие точки кипения.Эта стабильность позволяет электролиту выдерживать высокие температуры, генерируемые во время экзотермического снижения CO2.

В своем исследовании исследователи исследовали электрохимическое преобразование CO2 и воды с N, N-диэтил-N-метил-N- (2-метоксиэтил) тетрафлюороборат (DEME-BF4) в качестве электролита.

Электролит DEME-BF4 обеспечивает оптимальные условия для максимизации уменьшения CO2.Ионы DEME+ усиливают растворимость CO2, позволяя большему количеству молекул CO2 для участия в реакции.Более того, из -за его гидрофильной природы ионы водорода, необходимые для восстановления CO2 до углеводородов, могут быть легко поставлены путем смешивания электролита с водой.

Исследователи определили, что электрохимическое превращение CO2 в углеводороды может быть увеличено с добавлением водных растворов, содержащих гидроксиды металлов, такие как гидроксид кальция (CA (OH) 2), гидроксид натрия (NAOH) и гидроксид цезия (CSOH) к электролиту.

Гидроксиды в ионной жидкости могут реагировать с CO2 с образованием бикарбонатов (HCO3-) и карбонатов (CO32-), что еще больше усиливает доступность CO2 для участия в электрохимических реакциях.

При электролизе комнатной температуры (298 К или 25 ° C) в атмосфере CO2 исследователи успешно снизили CO2 до этилена (C2H4), этан (C2H6), пропилен (C3H6) и пропан (C3H8).

Они достигли наивысшей эффективности тока для каждого продукта, используя электролит Deme-BF4, смешанный с водой и содержащий Ca (OH) 2, с эффективностью, достигающей до 11,3% для пропана и 6,49% для этилена.Эта эффективность превзошла, полученные с другими металлическими гидроксидами более 1000 раз.

Причина такой высокой эффективности была объяснена с использованием расчетов эмановской спектроскопии и теории функционала плотности (DFT).Эти анализы показали, что бикарбонатные ионы, образованные, когда CO2 взаимодействует с ионами OH-ионов в электролите, взаимодействуют с ионами DeME+и BF4-CA4-Ca2+].

CO2 и HCO3-виды затем адсорбируются на поверхности электрода, образуя адсорбированные виды Co- ADS.Адсорбированные коэфумии затем сильно взаимодействуют с ионами Ca2+, присутствующими в электролите, образуя две различные промежуточные структуры: одна структура A, состоящая из иона Ca2+, координированного с двумя ионами Co-, адсорбированными на трех атомах Ag, а другая структура B, где B, где B, где B, где B, где B, гдеИон Ca2+ координируется с двумя ионами Co-, адсорбированными на двух атомах Ag.

Это взаимодействие с ионами Ca2+ имеет решающее значение, поскольку он увеличивает стабильность адсорбированных видов, что делает возможными последующие электрохимические реакции.

Среди этих структур исследователи предполагают, что структура B является более стабильной и является предпочтительным путем для этилена, в то время как структура A приводит к производству пропана.

«Мы показали, что адаптация электролита может привести к изменениям молекулярного уровня в фазовом преобразовании CO2 в объемном растворе и на границе раздела электрода/ионного жидко. Идти к.

Эти результаты проливают свет на процессы, участвующие в преобразовании CO2 на границе между ионными электролитами на основе жидкости и металлическими электродами, такими как роль ионов кальция.Такое понимание может помочь в разработке электролитов для эффективного производства полезных углеводородов из CO2.

«Физико -химические знания об этом новом маршруте от разложения CO2 до синтеза полезных углеводородов, как показано в этом исследовании, будет способствовать развитию технологии использования CO2 и способствуя академическому прогрессу в области материаловедения», - заключает профессор GOTO.

More information: Saya Nozaki et al, Electrochemical synthesis of C2 and C3 hydrocarbons from CO2 on an Ag electrode in DEME-BF4 containing H2O and metal hydroxides, Electrochimica Acta (2024). DOI: 10.1016/j.electacta.2024.144431