Αποδοτική ηλεκτροσύνθεση μονοξειδίου του άνθρακα υψηλής καθαρότητας χρησιμοποιώντας ηλεκτρολύτη «πορώδους νερού»

Μια ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια νέα μέθοδο για την εξαγωγή μονοξειδίου του άνθρακα υψηλής καθαρότητας.

Υψηλής καθαρότηταςμονοξείδιο του άνθρακα (CO)είναι μια βασική πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία, που χρησιμοποιείται ευρέως στην παρασκευή φωσγενίου και μεταλλικών καρβονυλικών ενώσεων. Επί του παρόντος, η παραγωγή CO εξακολουθεί να βασίζεται κυρίως σε ορυκτά καύσιμα και περιλαμβάνει ενεργοβόρα στάδια καθαρισμού αερίων. Η ηλεκτροκαταλυτική αναγωγή CO₂ (CO₂RR) θεωρείται ιδανική στρατηγική για τη σύνθεση πράσινου CO. Ωστόσο, στην πράξη, το προϊόν ηλεκτρόλυσης συχνά περιέχει μεγάλες ποσότητες μη αντιδράσαντος CO₂ και ακαθαρσιών, με αποτέλεσμα υψηλό επακόλουθο κόστος διαχωρισμού. Επομένως, η άμεση σύνθεση CO₂ υψηλής καθαρότητας σε χαμηλές συγκεντρώσεις CO₂ έχει γίνει μια σημαντική πρόκληση στον τομέα της ηλεκτροαναγωγής CO₂. Αυτή η μελέτη προτείνει μια νέα στρατηγική που βασίζεται σε έναν ηλεκτρολύτη «πορώδους νερού», επιτυγχάνοντας αποτελεσματική και σταθερή σύνθεση CO₂ υψηλής καθαρότητας (97,0% κ.β.) σε περιβάλλον χαμηλής συγκέντρωσης CO₂ (15% CO₂), παρέχοντας νέες γνώσεις για την αξιοποίηση των πόρων του CO₂.

Σύνοψη Έρευνας

Αυτή η μελέτη ανέπτυξε έναν νέο ηλεκτρολύτη (Πορώδη Ηλεκτρολύτη, PE) με βάση το πορώδες νερό. Οι διασκορπισμένοι νανοκρύσταλλοι ζεόλιθου (ζεόλιθος-NC) παρέχουν ένα σταθερό μικροπορώδες περιβάλλον, επιτρέποντας την αποτελεσματική προσρόφηση και εμπλουτισμό του CO₂ στην υγρή φάση. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, το CO₂ απελευθερώνεται αυθόρμητα μέσω μιας διακλαδικής βαθμίδας συγκέντρωσης και μετατρέπεται αποτελεσματικά σε CO σε έναν ηλεκτροκαταλύτη Ni-N/C. Αυτή η στρατηγική αποφεύγει την παραδοσιακή διαδικασία πολλαπλών σταδίων δέσμευσης-αναγέννησης-ηλεκτρόλυσης CO₂, βελτιώνοντας σημαντικά την καθαρότητα του προϊόντος CO₂RR. Σε πυκνότητα ρεύματος 150 mA cm⁻², η καθαρότητα του CO παραμένει πάνω από 90,0 wt%, μειώνοντας παράλληλα σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος. Αυτή η μέθοδος παρέχει μια νέα και αποτελεσματική οδό για την ηλεκτροσύνθεση CO₂ υψηλής καθαρότητας.

Κύρια σημεία έρευνας

1. Το «πορώδες νερό» ενισχύει την προσρόφηση CO₂ και αυξάνει την τοπική συγκέντρωση
Οι νανοκρύσταλλοι ζεόλιθου παρέχουν μόνιμους πόρους, επιτρέποντας στο CO₂ να προσροφάται φυσικά στην υγρή φάση και να εκροφάται αυθόρμητα υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, αυξάνοντας έτσι τη συγκέντρωση CO₂ στη διεπιφάνεια.

2. Επίτευξη ηλεκτροσύνθεσης CO2 υψηλής καθαρότητας

Υπό ατμόσφαιρα 15% CO₂, αυτή η στρατηγική μπορεί να συνθέσει απευθείας 97,0% κ.β. καθαρό CO₂, αποφεύγοντας τα προβλήματα διαχωρισμού.που προκαλείται από το μη αντιδράσαν CO₂ στο παραδοσιακό CO₂RR.

3. Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλή σταθερότητα

Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές στρατηγικές αναγέννησης-διαχωρισμού CO₂, αυτή η μέθοδος μειώνει την κατανάλωση ενέργειας κατά 49,3% καιμπορεί να λειτουργήσει σταθερά για πάνω από 20 ώρες στα 100 mA cm⁻², επιδεικνύοντας εξαιρετική μακροπρόθεσμη σταθερότητα.

4. Το διεπιφανειακό ηλεκτρικό πεδίο ενισχύει τη μεταφορά ηλεκτρονίων και επιταχύνει την κινητική της αντίδρασης

Η αλληλεπίδραση ανταλλαγής ιόντων στην επιφάνεια μεταξύ K⁺ και Si-OH ενισχύει το διεπιφανειακό ηλεκτρικό πεδίο, επιταχύνοντας τα ηλεκτρόνιαμεταφορά και έτσι ενισχύοντας την εγγενή δράση του CO₂RR.