Effiziente Elektrosynthese von hochreinem Kohlenmonoxid unter Verwendung eines „porösen Wasser“-Elektrolyten

Eine Forschungsgruppe hat eine neue Methode zur Gewinnung von hochreinem Kohlenmonoxid entwickelt.

HochreinKohlenmonoxid (CO)CO ist ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie und wird häufig zur Herstellung von Phosgen und Metallcarbonylverbindungen verwendet. Die CO-Produktion basiert derzeit noch hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen und erfordert energieintensive Gasreinigungsschritte. Die elektrokatalytische CO₂-Reduktion (CO₂RR) gilt als ideale Strategie für die umweltfreundliche CO-Synthese. In der Praxis enthält das Elektrolyseprodukt jedoch oft große Mengen an nicht umgesetztem CO₂ und Verunreinigungen, was zu hohen Kosten für die nachfolgende Trennung führt. Daher stellt die direkte Synthese von hochreinem CO bei niedrigen CO₂-Konzentrationen eine große Herausforderung im Bereich der CO₂-Elektroreduktion dar. Diese Studie schlägt eine neuartige Strategie auf Basis eines „porösen Wasser“-Elektrolyten vor, die eine effiziente und stabile Synthese von hochreinem CO (97,0 Gew.-%) in einer Umgebung mit niedriger CO₂-Konzentration (15 % CO₂) ermöglicht und neue Erkenntnisse für die Ressourcennutzung von CO₂ liefert.

Forschungszusammenfassung

In dieser Studie wurde ein neuartiger Elektrolyt (poröser Elektrolyt, PE) auf Basis von porösem Wasser entwickelt. Dispergierte Zeolith-Nanokristalle (Zeolith-NC) bilden eine stabile mikroporöse Umgebung, die eine effiziente Adsorption und Anreicherung von CO₂ in der flüssigen Phase ermöglicht. Unter Einwirkung eines elektrischen Feldes wird CO₂ spontan durch einen Konzentrationsgradienten an der Grenzfläche freigesetzt und an einem Ni-N/C-Elektrokatalysator effizient zu CO umgewandelt. Dieses Verfahren umgeht den herkömmlichen mehrstufigen Prozess der CO₂-Abscheidung, -Regeneration und -Elektrolyse und verbessert die Produktreinheit der CO₂-Reduktion signifikant. Bei einer Stromdichte von 150 mA cm⁻² bleibt die CO-Reinheit über 90,0 Gew.-%, während gleichzeitig der Energieverbrauch und die Kosten deutlich reduziert werden. Diese Methode bietet einen neuen und effizienten Weg zur Elektrosynthese von hochreinem CO₂.

Forschungshighlights

1. „Poröses Wasser“ verbessert die CO₂-Adsorption und erhöht die lokale Konzentration
Zeolith-Nanokristalle bieten permanente Poren, die es ermöglichen, CO₂ physikalisch in der flüssigen Phase zu adsorbieren und unter Einwirkung eines elektrischen Feldes spontan zu desorbieren, wodurch die CO₂-Konzentration an der Grenzfläche erhöht wird.

2. Erreichen von hochreinem CO durch Elektrosynthese

Unter einer 15%igen CO₂-Atmosphäre kann mit dieser Strategie 97,0 Gew.-% reines CO₂ direkt synthetisiert werden, wodurch die Trennprobleme vermieden werden.verursacht durch nicht umgesetztes CO₂ bei der herkömmlichen CO₂RR.

3. Geringer Energieverbrauch und hohe Stabilität

Im Vergleich zu herkömmlichen CO₂-Regenerations- und -Abtrennverfahren reduziert diese Methode den Energieverbrauch um 49,3 % undkann bei 100 mA cm⁻² über 20 Stunden stabil betrieben werden und beweist damit eine ausgezeichnete Langzeitstabilität.

4. Das elektrische Feld an der Grenzfläche verstärkt den Elektronentransport und beschleunigt die Reaktionskinetik.

Die Oberflächenionenaustauschwechselwirkung zwischen K⁺ und Si-OH verstärkt das elektrische Feld an der Grenzfläche und beschleunigt so die Elektronen.Transfer und damit Steigerung der intrinsischen Aktivität der CO₂RR.