Данная статья была рецензирована в соответствии с редакционными процедурами и политикой журнала Science X. Редакторы, обеспечивая при этом целостность содержания, уделили особое внимание следующим качествам:
Углекислый газ (CO2) является одновременно важнейшим ресурсом для жизни на Земле и парниковым газом, способствующим глобальному потеплению. Сегодня ученые изучают углекислый газ как перспективный ресурс для производства возобновляемого низкоуглеродного топлива и высокоценных химических продуктов.
Задача исследователей состоит в том, чтобы найти эффективные и экономически выгодные способы преобразования диоксида углерода в высококачественные промежуточные продукты переработки углерода, такие как монооксид углерода, метанол или муравьиная кислота.
Исследовательская группа под руководством К.К. Нойерлина из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) и его коллег из Аргоннской национальной лаборатории и Ок-Риджской национальной лаборатории нашла перспективное решение этой проблемы. Команда разработала метод преобразования углекислого газа в муравьиную кислоту с использованием возобновляемой электроэнергии, отличающийся высокой энергоэффективностью и долговечностью.
Исследование под названием «Масштабируемая архитектура мембранно-электродной сборки для эффективного электрохимического преобразования диоксида углерода в муравьиную кислоту» было опубликовано в журнале Nature Communications.
Муравьиная кислота является потенциальным химическим промежуточным продуктом с широким спектром применения, особенно в качестве сырья в химической или биологической промышленности. Муравьиная кислота также рассматривается как сырье для биопереработки в экологически чистое авиационное топливо.
Электролиз CO2 приводит к восстановлению CO2 до химических промежуточных продуктов, таких как муравьиная кислота, или молекул, таких как этилен, при подаче электрического потенциала на электролитическую ячейку.
Мембранно-электродный блок (МЭБ) в электролизере обычно состоит из ионопроводящей мембраны (катионообменной или анионной мембраны), расположенной между двумя электродами, состоящими из электрокатализатора и ионопроводящего полимера.
Используя опыт команды в области технологий топливных элементов и электролиза водорода, они изучили несколько конфигураций мембранно-электродных блоков в электролитических ячейках, чтобы сравнить электрохимическое восстановление CO2 до муравьиной кислоты.
На основе анализа отказов различных конструкций команда стремилась использовать ограничения существующих наборов материалов, в частности, недостаточную способность к отталкиванию ионов в современных анионообменных мембранах, и упростить общую конструкцию системы.
Изобретение К.С. Нейерлина и Лейминга Ху из NREL представляет собой усовершенствованный электролизер с мембраной MEA, использующий новую перфорированную катионообменную мембрану. Эта перфорированная мембрана обеспечивает стабильное и высокоселективное производство муравьиной кислоты и упрощает конструкцию за счет использования стандартных компонентов.
«Результаты этого исследования представляют собой сдвиг парадигмы в электрохимическом производстве органических кислот, таких как муравьиная кислота», — сказал соавтор Нейерлин. «Перфорированная мембранная структура снижает сложность предыдущих конструкций и может также использоваться для повышения энергоэффективности и долговечности других электрохимических устройств преобразования диоксида углерода».
Как и в случае с любым научным прорывом, важно понимать факторы стоимости и экономическую целесообразность. Исследователи NREL Чже Хуан и Тао Лин, работая в разных отделах, представили технико-экономический анализ, определяющий способы достижения паритета затрат с современными процессами промышленного производства муравьиной кислоты, когда стоимость возобновляемой электроэнергии составляет 2,3 цента за киловатт-час или ниже.
«Команда добилась этих результатов, используя имеющиеся в продаже катализаторы и полимерные мембранные материалы, а также разработав конструкцию мембранно-электродного блока, которая учитывает масштабируемость современных топливных элементов и установок электролиза водорода», — сказал Нейерлин.
«Результаты этого исследования могут помочь преобразовывать углекислый газ в топливо и химические вещества с использованием возобновляемой электроэнергии и водорода, ускоряя переход к масштабированию и коммерциализации».
Электрохимические технологии преобразования являются ключевым элементом программы NREL «Электроны в молекулы», которая фокусируется на возобновляемом водороде следующего поколения, безотходном топливе, химических веществах и материалах для процессов, управляемых электричеством.
«Наша программа изучает способы использования возобновляемой электроэнергии для преобразования таких молекул, как углекислый газ и вода, в соединения, которые могут служить источниками энергии», — сказал Рэнди Кортрайт, директор стратегии NREL по переносу электронов и/или прекурсорам для производства топлива или химических веществ».
«Данное исследование электрохимического преобразования представляет собой прорыв, который может быть использован в целом ряде электрохимических процессов, и мы с нетерпением ждем новых многообещающих результатов от этой группы».
Дополнительная информация: Leiming Hu et al., Scalable membrane electrode assembly architecture for efficient electrochemical conversion of CO2 to formic acid, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Если вы обнаружили опечатку, неточность или хотите внести изменения в текст на этой странице, пожалуйста, воспользуйтесь этой формой. Для общих вопросов используйте нашу контактную форму. Для обратной связи используйте раздел комментариев ниже (следуйте инструкциям).
Ваши отзывы очень важны для нас. Однако из-за большого количества сообщений мы не можем гарантировать персонализированный ответ.
Ваш адрес электронной почты используется только для того, чтобы сообщить получателям, кто отправил письмо. Ни ваш адрес, ни адрес получателя не будут использоваться для каких-либо других целей. Введенная вами информация будет отображаться в вашем электронном письме и не будет храниться компанией Tech Xplore ни в какой форме.
Этот веб-сайт использует файлы cookie для упрощения навигации, анализа использования вами наших услуг, сбора данных для персонализации рекламы и предоставления контента от третьих лиц. Используя наш веб-сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику конфиденциальности и Условия использования.