Tổng hợp điện hóa hiệu quả khí carbon monoxide độ tinh khiết cao bằng chất điện giải “nước xốp”.

Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chiết xuất khí carbon monoxide có độ tinh khiết cao.

Độ tinh khiết caokhí carbon monoxide (CO)CO₂ là nguyên liệu thô quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, được sử dụng rộng rãi trong điều chế phosgene và các hợp chất cacbonyl kim loại. Hiện nay, sản xuất CO₂ vẫn chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch và liên quan đến các bước tinh chế khí tiêu tốn nhiều năng lượng. Khử CO₂ bằng điện xúc tác (CO₂RR) được coi là chiến lược lý tưởng cho tổng hợp CO₂ xanh. Tuy nhiên, trên thực tế, sản phẩm điện phân thường chứa một lượng lớn CO₂ chưa phản ứng và tạp chất, dẫn đến chi phí tách chiết cao sau đó. Do đó, tổng hợp trực tiếp CO₂ có độ tinh khiết cao ở nồng độ CO₂ thấp đã trở thành một thách thức lớn trong lĩnh vực khử CO₂ bằng điện phân. Nghiên cứu này đề xuất một chiến lược mới dựa trên chất điện phân “nước xốp”, đạt được sự tổng hợp hiệu quả và ổn định CO₂ có độ tinh khiết cao (97,0 wt%) trong môi trường nồng độ CO₂ thấp (15% CO₂), cung cấp những hiểu biết mới cho việc sử dụng tài nguyên CO₂.

Tóm tắt nghiên cứu

Nghiên cứu này đã phát triển một chất điện phân mới (Chất điện phân xốp, PE) dựa trên nước xốp. Các tinh thể nano zeolit ​​phân tán (zeolit-NC) tạo ra môi trường vi xốp ổn định, cho phép hấp phụ và làm giàu CO₂ hiệu quả trong pha lỏng. Dưới tác dụng của điện trường, CO₂ được giải phóng tự phát thông qua gradient nồng độ giao diện và được chuyển đổi hiệu quả thành CO trên chất xúc tác điện hóa Ni-N/C. Chiến lược này tránh được quy trình thu giữ-tái tạo-điện phân CO₂ nhiều bước truyền thống, cải thiện đáng kể độ tinh khiết của sản phẩm CO₂RR. Ở mật độ dòng điện 150 mA cm⁻², độ tinh khiết của CO vẫn duy trì trên 90,0 wt% trong khi giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và chi phí. Phương pháp này cung cấp một lộ trình mới và hiệu quả cho quá trình tổng hợp điện hóa CO₂ có độ tinh khiết cao.

Những điểm nổi bật của nghiên cứu

1. “Nước xốp” tăng cường khả năng hấp phụ CO₂ và làm tăng nồng độ CO₂ cục bộ
Các tinh thể nano Zeolit ​​cung cấp các lỗ xốp vĩnh cửu, cho phép CO₂ được hấp phụ vật lý trong pha lỏng và tự động giải hấp dưới tác dụng của điện trường, do đó làm tăng nồng độ CO₂ tại giao diện.

2. Đạt được quá trình tổng hợp điện hóa CO có độ tinh khiết cao

Trong môi trường có nồng độ CO₂ 15%, chiến lược này có thể tổng hợp trực tiếp CO₂ tinh khiết 97,0% theo trọng lượng, tránh được các vấn đề về tách chiết.Nguyên nhân là do CO₂ chưa phản ứng trong quá trình khử CO₂ truyền thống.

3. Tiêu thụ năng lượng thấp và độ ổn định cao

So với các chiến lược tái tạo-tách CO₂ truyền thống, phương pháp này giảm tiêu thụ năng lượng tới 49,3% vàcó thể hoạt động ổn định trong hơn 20 giờ ở dòng điện 100 mA cm⁻², chứng tỏ độ ổn định lâu dài tuyệt vời.

4. Điện trường giao diện tăng cường vận chuyển electron và đẩy nhanh động học phản ứng

Tương tác trao đổi ion bề mặt giữa K⁺ và Si-OH làm tăng cường điện trường giao diện, đẩy nhanh quá trình di chuyển electron.chuyển giao và do đó tăng cường hoạt tính nội tại của CO₂RR.