Uma equipe de pesquisadores da Rice College descobriu um método surpreendentemente simples para melhorar bastante a estabilidade de dispositivos eletroquímicos que convertem dióxido de carbono em combustíveis e produtos químicos úteis e não envolve nada mais do que enviar o CO2 através de um borbulhador ácido.
O estudo deles, publicado em ciência, aborda um grande gargalo na efficiency e estabilidade do CO2 Sistemas de redução: o acúmulo de sal que obstrui os canais de fluxo de gás, reduz a eficiência e faz com que os dispositivos falhem prematuramente. Usando uma técnica que eles chamam de CO de ácido humidificado2os pesquisadores estenderam a vida operacional de um CO2 Sistema de redução mais de 50 vezes, demonstrando mais de 4.500 horas de operação estável em um reator de dimensionamento-um marco para o campo.
Eletroquímico co2 redução, ou co2RR, é uma tecnologia verde emergente que usa eletricidade, idealmente de fontes renováveis, para transformar o Co-Soarring Co2 em produtos valiosos como monóxido de carbono, etileno ou álcoois. Esses produtos podem ser refinados em combustíveis ou usados em processos industriais, potencialmente transformando um grande poluente em matéria -prima.
No entanto, a implementação prática foi dificultada pela baixa estabilidade do sistema. Uma questão persistente é o acúmulo de sais de bicarbonato de potássio nos canais de fluxo de gás, que ocorre quando os íons de potássio migram do anólito através da membrana de troca ânion para a zona de reação do cátodo e combinam -se com CO com CO2 sob condições de pH alto.
“Blocos de precipitação de sal2 Transporte e inunda o eletrodo de difusão de gás, o que leva à falha de desempenho “, disse Haotian Wang, autor correspondente do estudo e professor associado de engenharia química e biomolecular, ciência dos materiais e nanoengenharia e química em Rice.” Isso acontece em poucas centenas de horas, que estão longe de ser a viagens comerciais “.
Para combater isso, a equipe de arroz tentou uma reviravolta elegante em um procedimento padrão. Em vez de usar água para umidificar o CO2 Entrada de gás no reator, eles borbulharam o gás através de uma solução ácida, como ácido clorídrico, fórmico ou acético.
O vapor do ácido é transportado para a câmara de reação do cátodo em quantidades vestigiais, apenas o suficiente para alterar a química native. Como os sais formados com esses ácidos são muito mais solúveis que o bicarbonato de potássio, eles não cristalizam e bloqueiam os canais.
O efeito foi dramático. Nos testes usando um catalisador de prata – uma referência comum para a conversão de CO2 Para o monóxido de carbono-o sistema operava de forma estável por mais de 2.000 horas em um dispositivo em escala de laboratório e mais de 4.500 horas em um eletrolisador de 100 centímetros de centímetro de 100 quadrados. Por outro2 falhou após cerca de 80 horas por causa do acúmulo de sal.
É importante ressaltar que o método humidificado com ácido mostrou-se eficaz em vários tipos de catalisadores, incluindo óxido de zinco, óxido de cobre e óxido de bismuto, todos usados para atingir diferentes CO2Produtos RR. Os pesquisadores também demonstraram que o método poderia ser dimensionado sem comprometer o desempenho com dispositivos em larga escala, mantendo a eficiência energética e evitando o bloqueio de sal em períodos prolongados.
Eles observaram corrosão ou dano mínimo às membranas de troca ânion que são tipicamente sensíveis ao cloreto, mantendo as concentrações de ácido baixas. A abordagem também demonstrou ser compatível com membranas e materiais comumente usados, reforçando seu potencial de integração nos sistemas existentes.
Para observar a formação de sal em tempo actual, a equipe usou reatores personalizados com placas de fluxo transparentes. Sob umidificação convencional da água, os cristais de sal começaram a se formar dentro de 48 horas. Com co-humidificado com ácido co2no entanto, nenhum acúmulo significativo de cristal foi observado mesmo após centenas de horas, e quaisquer pequenos depósitos foram acabados por dissolver e levar para fora do sistema.
“Usando o método tradicional de Co-Humidificado2 Pode levar à formação de sal nos canais de fluxo de gás catodo “, disse o co-primeiro autor Shaoyun Hao, associado de pesquisa pós-doutorado em engenharia química e biomolecular do Rice.” Hipotetizamos-e confirmamos-que o vapor ácido poderia dissolver o sal e converter o solubilidade baixa KHCO3 em sal com maior solubilidade, mudando assim o equilíbrio da solubilidade apenas o suficiente para evitar entupimento sem afetar o desempenho do catalisador “.
O trabalho abre a porta para um coonete mais durável e escalável2 Os eletrolisadores, uma necessidade crítica para que a tecnologia seja implantada em escalas industriais como parte das estratégias de captura e utilização de carbono. A simplicidade da abordagem, envolvendo apenas pequenos ajustes nas configurações de umidificação existentes, significa que ela pode ser adotada sem reprojetos significativos ou custos adicionais.
“Esta é uma grande descoberta para o CO2 Eletrólise “, disse Ahmad Elgazar, co-primeiro autor e estudante de pós-graduação em engenharia química e biomolecular do Rice.” Nosso método aborda um obstáculo de longa knowledge com uma solução de baixo custo e facilmente implementável. É um passo para tornar as tecnologias de utilização de carbono mais comercialmente viáveis e mais sustentáveis ”.
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Robert A. Welch, Rice, pela Nationwide Science Basis e pela Fundação David e Lucile Packard.
