Under det senaste seklet eller så har mänskliga aktiviteter lett till en snabb försämring av miljön på jorden, med skadliga effekter som klimatförändringar och en ökning av atmosfärisk CO₂ . Många forskare över hela världen har därför försökt ta fram nya tekniker och lösningar som kan hjälpa till att ta itu med dessa befintliga miljöproblem.

Ett möjligt sätt att minska förekomsten av CO₂ i atmosfären är att utarbeta effektiva strategier för att återvinna CO₂ och omvandla det till flytande bränslen eller andra industriella material, helst med hjälp av hållbart producerad el. För att göra detta bör forskare dock kunna producera mycket värdefulla produkter från CO₂ vid strömtätheter i industriell skala med en låg mängd elektrisk energi.

Forskare vid Wuhan University har nyligen introducerat en ny strategi som kan användas för att syntetisera eten, en brandfarlig kolvätegas, från CO₂ och rent vatten. Denna strategi, introducerad i en artikel publicerad i Nature Energy , innebär användning av bifunktionella jonomerer, en reaktiv polymer, som polymerelektrolyter för att aktivera CO₂ och möjliggöra dess effektiva samelektrolys med vatten för att producera eten.

"Många CO₂ elektrolysatorer under utveckling använder flytande elektrolyter (KOH-lösningar, till exempel), ändå kan användning av solid-state polymerelektrolyter i princip förbättra effektiviteten och realisera samelektrolys av CO₂ och rent vatten, vilket undviker korrosion och problem med elektrolytförbrukning," skrev Wenzheng Li och hans kollegor i sin uppsats. "Men en nyckelutmaning i dessa system är hur man gynnar produktion av flerkolmolekyler, såsom eten, vilket vanligtvis kräver en stark alkalisk miljö."

För att syntetisera eten från CO_2, Li och hans kollegor använde en alkalisk polymerelektrolyt (APE), som kan minska gapet mellan katoder och anoder till mindre än tiotals mikrometer i membranelektrodmonteringsarkitekturer (MEA). Detta kan i sin tur minska den så kallade interna ohmska förlusten (d.v.s. spänningsfall orsakat av överföring av elektroner i kretsar eller rörelse av joner genom elektrolyter och membran), vilket förbättrar teknikens energiomvandlingseffektivitet vid höga strömtätheter.

"Vi använder bifunktionella jonomerer som polymerelektrolyter som inte bara är joniskt ledande utan också kan aktivera CO₂ vid gränssnittet mellan katalysator och elektrolyt och gynnar etylensyntes, medan de körs på rent vatten," skrev Li och hans kollegor i sin uppsats. "Särskilt använder vi kvaternär ammoniakpoly(eter-eterketon) (QAPEEK), som innehåller karbonylgrupper i polymerkedja, som den bifunktionella elektrolyten."

Polymerelektrolyten som Li och hans kollegor föreslagit skulle kunna överträffa flytande elektrolyter, som är integrerade i de flesta befintliga CO₂ elektrolysörer, eftersom det skulle kunna förbättra enheternas energieffektivitet. Framför allt kunde teamet göra jonomeren de använde bifunktionell, så att den skulle vara joniskt ledande och aktivera CO_2, stör den reaktion som är nödvändig för att reducera den till eten.

Forskarna utvärderade sin elektrolyt genom att integrera den i en elektrolysator som kördes på CO₂ och rent vatten. I dessa tester fann de att deras polymerelektrolyt ökade selektiviteten för eten till 50 %, även i frånvaro av en stark alkalisk miljö.

"Elektrolysatorn körs på CO₂ och rent vatten uppvisar en total strömtäthet på 1 000 mA cm ⁻² vid cellspänningar så låga som 3,73 V. Vid 3,54 V," skrev Li och hans kollegor i sin uppsats. "Eten produceras med den partiella strömtätheten i industriell skala på 420 mA cm ⁻² utan någon elektrolytförbrukning."

Det senaste arbetet av detta team av forskare öppnar nya möjligheter för omvandling av CO₂ till eten i industriell skala. I framtiden kan det inspirera till liknande metoder för att syntetisera kolväten eller andra industrigaser från CO₂ med användning av alkaliska polymerelektrolyter. + Utforska vidare

Ny hybridelektrolyt för högpresterande Li-ion-batterier

© 2022 Science X Network