Blog

Podczas spalania ropy naftowej, węgla lub gazu ziemnego powstaje dwutlenek węgla, czyli CO2. Ten słynny gaz cieplarniany jest głównym czynnikiem powodującym globalne ocieplenie, ale jest także surowcem. Technicznie możliwe jest przekształcenie CO2 w użyteczne związki węgla, proces ten wymaga energii, wody, odpowiednich elektrod i specjalnych katalizatorów. CO2 może być elektrochemicznie przekształcany w tlenek węgla, mrówczan lub metan, ale także w etylen, propanol, octan i etanol. Jednak procesy przemysłowe muszą być zaprojektowane tak, aby były wysoce selektywne i niezwykle wydajne, aby wytwarzać tylko pożądane produkty, a nie mieszaninę produktów.

Przekształcanie CO2 z powrotem w paliwo

"Poprzez elektrolityczną redukcję CO2 do użytecznych węglowodorów, możemy produkować nowe paliwa bez wykorzystywania zasobów kopalnych. W ten sposób wprowadzamy CO2 z powrotem do obiegu, podobnie jak w przypadku recyklingu" - wyjaśnia dr Matthew Mayer, kierownik Helmholtz Young Investigator Group "Electrochemical Conversion" w HZB. Energia elektryczna do elektrolizy może być dostarczana z odnawialnych źródeł energii wiatrowej lub słonecznej, dzięki czemu proces jest zgodny z zasadami zrównoważonego rozwoju.

Ogniwo z zerową przerwą: wielowarstwowa kanapka

Ze szkoły wiemy, że elektrolizę można przeprowadzić w prostej zlewce z wodą; dalszym rozwinięciem tego jest ogniwo wodorowe, które ma kształt litery H. Jednak takie ogniwa nie nadają się do użytku przemysłowego. Zamiast tego przemysłowe elektrolizery są projektowane z architekturą warstwową składającą się z kilku warstw: Po prawej i lewej stronie znajdują się elektrody, które przewodzą prąd i są pokryte katalizatorami, warstwa dyfuzyjna gazu na bazie miedzi, która przepuszcza gaz CO2, oraz membrana separacyjna. Elektrolit (tutaj dostarczany na anodzie i nazywany anolitem) składa się z rozpuszczonych związków potasu i umożliwia jonom przemieszczanie się między elektrodami. Membrana jest zaprojektowana tak, aby przepuszczać ujemnie naładowane jony i blokować dodatnio naładowane jony potasu.

Problem: kryształy potasu

Mimo to jony potasu z elektrolitu przechodzą przez membranę i tworzą małe kryształy na katodzie, zatykając pory. "To nie powinno mieć miejsca" - mówi Flora Haun, doktorantka w zespole Matthew Mayera. Korzystając ze skaningowej mikroskopii elektronowej i innych technik obrazowania, naukowcy byli w stanie szczegółowo zbadać proces tworzenia się kryształów na katodzie. "Dzięki analizie rentgenowskiej z dyspersją energii byliśmy w stanie zlokalizować poszczególne pierwiastki i pokazać dokładnie, gdzie tworzą się kryształy potasu" - wyjaśnia Flora Haun.

Badania wykazały, że im więcej potasu zawiera elektrolit, tym bardziej zatyka się katoda. Nie ma jednak prostego sposobu na rozwiązanie tego problemu: zmniejszenie stężenia potasu jest z jednej strony dobre, ale z drugiej złe, ponieważ równowaga reakcji również się zmienia: zamiast pożądanego etylenu powstaje tlenek węgla.

Elektrolit jest kluczem do sukcesu

"Najważniejszą obserwacją jest to, że kationy mogą nadal przenikać przez membranę anionowymienną, ale w stopniu zależnym od stężenia elektrolitu. I że wraz ze stężeniem elektrolitu jednocześnie regulujemy, które produkty powstają z CO2", mówi dr Gumaa El Nagar, badacz podoktorancki w zespole. "W kolejnym kroku chcemy wykorzystać pomiary operacyjne i pomiary na żywo z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego, aby dowiedzieć się szczegółowo, w jaki sposób migracja jonów w ogniwie wpływa na procesy reakcji chemicznych" - mówi Matthew Mayer.