Ett internationellt forskarlag vid DTU har ökat hållbarheten för elektrolysatorer som omvandlar CO2 från en halv dag till 100 timmar. Detta är goda nyheter för företag som arbetar med processen. Resultaten publicerades i Nature Catalysis under rubriken "Identifiera och lindra hållbarhetsutmaningarna i membran-elektrod-sammansättningen för höghastighets CO-elektrolys."
För mycket CO2 i atmosfären är en av de största bovarna bakom den globala uppvärmningen. Men tänk om vi kunde omvandla fångad CO2 till värdefulla gröna kemikalier – och det kan vi. Omvandlingen är möjlig genom CO2 elektrolys, men processen är komplex och kostsam.
Forskare är nu ett steg närmare utvecklingen av en teknik som kan omvandla fångad CO2 till användbara gröna kemikalier som eten och etanol, som kan användas vid tillverkning av plast.
Det mesta av plasten vi använder för närvarande är tillverkad av fossilbaserade kemikalier, som står för cirka 5 % av vår globala CO2 utsläpp. CO2 elektrolys erbjuder ett grönt alternativ till fossilbaserade kemikalier samtidigt som man använder fångad CO2 som en resurs. Det innebär att tekniken har stor potential att spela en roll i samhällets gröna omställning.
"Vi har tagit reda på varför och var i den kemiska processen för elektrolys av CO/CO2 elektrolysanordningen försämras. Våra resultat ger tydliga riktlinjer för forskare och industrin om hur man förlänger hållbarheten för enheter för CO/CO2 elektrolys, vilket kommer att stärka kommersialiseringen av tekniken, säger DTU-professor Brian Seger.
Elektrolys med CO2
För att förstå vikten av resultaten måste vi först förstå principerna för elektrolys. Elektrolys gör att du kan separera materia i dess grundämnen eller göra nya kemiska föreningar. Det är en känd kemisk process som sker genom att tillföra en elektrisk ström till en elektrolyt, som är en lösning eller smält förening som leder elektricitet.
Här kommer elektrolytens positiva joner att attraheras till en katod, medan elektrolytens negativa joner kommer att attraheras till en anod. Vid elektrolys av vatten (H2 O), kommer anoden i ett vattenfyllt elektrolyskärl att dra till sig syre (O2 ), medan katoden kommer att dra till sig väte (H2 ), dela vattnet i dess grundläggande komponenter.
Den första mellanprodukten framställd av CO2 elektrolys är CO (kolmonoxid). Detta följs av en CO-elektrolys, varvid de värdefulla kemikalierna etanol (alkohol, som kan användas som bränsle) och eten (kolväte, som kan användas för att göra plastmaterialet polyeten) kan framställas.
CO2 elektrolys är en komplex process i flera steg och flera faktorer kan påverka processens effektivitet. En särskild utmaning är nedbrytningen av anoden i elektrolytlösningen, vilket leder till att enheten går sönder efter ungefär en halv dags användning. Detta gör processen mycket kostsam och svår att skala upp för industriell användning.
Men eftersom det är just anodens hållbarhet som forskarna har ökat kan det vara goda nyheter på väg för företag som arbetar med CO2 elektrolys.
Forskarna har visat att en av de största orsakerna till anodnedbrytning är produktionen av acetat på katoden, där miljön är alkalisk. Detta gör att ättiksyra bildas vid anoden, vilket sänker pH. Om materialet på anoden inte klarar av det nu låga pH-värdet i elektrolyslösningen kommer det att brytas ned och elektrolysanordningen kommer att gå sönder efter cirka 12 timmars användning.
Genom att ta bort acetatet och därigenom bibehålla pH i elektrolytlösningen har forskarna funnit att anodens hållbarhet kan förlängas från en halv dag till mer än 100 timmar. Medan forskarna uppnådde detta genom att manuellt byta ut elektrolyslösningen var 12:e timme när pH blev för lågt, kunde ett enkelt filter lösa detta när det kommersialiserats.
"Våra riktlinjer säger till forskare och industrin att de måste övervaka pH-värdet på anolytsidan för att upprätthålla ett pH som inte fräter anoden. Detta är en enkel men avgörande punkt för de företag som redan börjar kommersialisera teknologi", säger DTU-professor Brian Seger.
Mer information: Qiucheng Xu et al, Identifiera och lindra hållbarhetsutmaningarna i membran-elektrodmonteringsanordningar för höghastighets CO-elektrolys, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01034-y
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av Danmarks Tekniska Universitet
