Forskargrupper runt om i världen utvecklar teknik för att omvandla koldioxid (CO2). ) till råvaror för industriella tillämpningar. De flesta experiment under industriellt relevanta förhållanden har utförts med heterogena elektrokatalysatorer, dvs katalysatorer som befinner sig i en annan kemisk fas än de reagerande ämnena. Emellertid anses homogena katalysatorer, som är i samma fas som reaktanterna, generellt vara mer effektiva och selektiva. Hittills har det inte funnits några upplägg där homogena katalysatorer kunde testas under industriella förhållanden.
Ett team under ledning av Kevinjeorjios Pellumbi och professor Ulf-Peter Apfel från Ruhr University Bochum och Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT i Oberhausen har nu täppt till denna lucka. Forskarna beskrev sina resultat i tidskriften Cell Reports Physical Science . Artikeln publicerades den 13 december 2023.
"Vårt arbete syftar till att tänja på teknikens gränser för att etablera en effektiv lösning för CO2 omvandling som kommer att förvandla den klimatskadliga gasen till en användbar resurs", säger Ulf-Peter Apfel. Hans grupp samarbetade med teamet ledd av professor Wolfgang Schöfberger från Johannes Kepler University Linz och forskare från Fritz Haber Institute i Berlin.
Teamet undersökte omvandlingen av CO2 med hjälp av elektrokatalys. I processen levererar en spänningskälla elektrisk energi, som matas till reaktionssystemet via elektroder och driver de kemiska omvandlingarna vid elektroderna. En katalysator underlättar reaktionen; vid homogen elektrokatalys är katalysatorn vanligtvis ett löst metallkomplex. I en så kallad gasdiffusionselektrod är utgångsmaterialet CO2 strömmar förbi elektroden, där katalysatorerna omvandlar den till kolmonoxid. Det senare är i sin tur ett vanligt utgångsmaterial inom den kemiska industrin.
Forskarna integrerade metallkomplexkatalysatorerna i elektrodytan utan att binda dem till den kemiskt. De visade att deras system effektivt kunde omvandla CO2 :Den genererade strömtätheter på mer än 300 milliampere per kvadratcentimeter. Dessutom förblev systemet stabilt i över 100 timmar utan att visa några tecken på förfall.
Inget behov av att förankra katalysatorn
Allt detta innebär att homogena katalysatorer i allmänhet kan användas för elektrolysceller. "Men de kräver en specifik elektrodsammansättning", säger Ulf-Peter Apfel. Mer specifikt måste elektroderna möjliggöra direkt gasomvandling utan lösningsmedel så att katalysatorn inte urlakas från elektrodytan. I motsats till vad som ofta beskrivs i facklitteratur, finns det inget behov av ett bärarmaterial som kemiskt kopplar katalysatorn till elektrodytan.
"Våra resultat öppnar upp för möjligheten att testa och integrera högpresterande och lätt variabla homogena elektrokatalysatorer i tillämpningsscenarier för elektrokemiska processer", avslutar Apfel.
Mer information: Kevinjeorjios Pellumbi et al., Pushing the Ag-loading of CO2-elektrolysatorer till ett minimum via molekylärt avstämda miljöer, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101746
Journalinformation: Cell Reports Physical Science
Tillhandahålls av Ruhr-Universitaet-Bochum
