Den globala uppvärmningen fortsätter att utgöra ett hot mot det mänskliga samhället och ekologiska system, och koldioxid står för den största andelen av de växthusgaser som dominerar klimatuppvärmningen.
För att bekämpa klimatförändringarna och gå mot målet om koldioxidneutralitet har forskare från The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) utvecklat en hållbar, mycket selektiv och energieffektiv koldioxid (CO2 ) elektroreduktionssystem som kan omvandla CO2 till eten för industriella ändamål för att tillhandahålla en effektiv lösning för att minska CO2 utsläpp.
Forskningen publicerades i Nature Energy och vann en guldmedalj vid den 48:e internationella utställningen för uppfinningar i Genève i Schweiz.
Eten (C2 H4 ) är en av de mest efterfrågade kemikalierna globalt och används främst vid tillverkning av polymerer som polyeten, som i sin tur kan användas för att tillverka plaster och kemiska fibrer som vanligtvis används i det dagliga livet. Men det erhålls fortfarande mestadels från petrokemiska källor och produktionsprocessen innebär att ett mycket betydande koldioxidavtryck skapas.
Under ledning av prof. Daniel Lau, ordförande professor i nanomaterial och chef för institutionen för tillämpad fysik, antog forskargruppen metoden för elektrokatalytisk CO2 reduktion – att använda grön el för att omvandla koldioxid till eten, vilket ger ett mer miljövänligt alternativ och stabil etenproduktion.
Forskargruppen arbetar för att främja denna framväxande teknik för att föra den närmare massproduktion, stänga koldioxidslingan och i slutändan uppnå koldioxidneutralitet.
Prof. Laus innovation är att avstå från alkalimetallelektrolyten och använda rent vatten som en metallfri anolyt för att förhindra karbonatbildning och saltavsättning. Forskargruppen kallar sin design för APMA-systemet, där A står för anjonutbytesmembran (AEM), P representerar protonutbytesmembranet (PEM) och MA indikerar den resulterande membransammansättningen.
När en alkalimetallfri cellstapel innehållande APMA och en kopparelektrokatalysator konstruerades producerade den eten med en hög specificitet på 50 %. Det kunde också fungera i över 1 000 timmar med en ström på industriell nivå på 10A – en mycket betydande ökning av livslängden jämfört med befintliga system, vilket innebär att systemet enkelt kan utökas till industriell skala.
Ytterligare tester visade att bildningen av karbonater och salter undertrycktes, medan det inte fanns någon förlust av CO2 eller elektrolyt. Detta är avgörande, eftersom tidigare celler som använde bipolära membran istället för APMA led av elektrolytförlust på grund av diffusionen av alkalimetalljoner från anolyten. Bildningen av väte i konkurrens med eten, ett annat problem som påverkade tidigare system som använde sura katodmiljöer, minimerades också.
En annan nyckelfunktion i processen är den specialiserade elektrokatalysatorn. Koppar används för att katalysera ett brett spektrum av reaktioner inom den kemiska industrin. Den specifika katalysatorn som forskargruppen använde drog dock fördel av vissa särdrag.
De miljontals kopparsfärer i nanoskala hade ytor med rik struktur, med steg, staplingsförkastningar och korngränser. Dessa "defekter" - i förhållande till en ideal metallstruktur - gav en gynnsam miljö för reaktionen att fortsätta.
Professor Lau sa:"Vi kommer att arbeta på ytterligare förbättringar för att förbättra produktselektiviteten och söka samarbetsmöjligheter med industrin. Det är tydligt att denna APMA-celldesign stöder en övergång till grön produktion av eten och andra värdefulla kemikalier och kan bidra till minska koldioxidutsläppen och uppnå målet om koldioxidneutralitet."
Mer information: Xiaojie She et al, rent vattenmatad, elektrokatalytisk CO2-reduktion till eten över 1 000 timmars stabilitet vid 10 A, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01415-4
Journalinformation: Naturenergi
Tillhandahålls av Hong Kong Polytechnic University
