Microscopia elettronica a scansione in sezione trasversale e immagini di mappatura elementare della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia del Cu GDE dopo l'elettrolisi, indicando la grave precipitazione salina che si verifica nei pori idrofobici del Cu GDE. Barra della scala, 100 μm. Credito:Li et al. (Energia naturale , 2022)
Nel corso dell'ultimo secolo, le attività umane hanno portato al rapido deterioramento dell'ambiente sulla Terra, con effetti dannosi come il cambiamento climatico e un aumento della CO2 atmosferica . Molti scienziati in tutto il mondo hanno quindi cercato di ideare nuove tecnologie e soluzioni che potrebbero aiutare ad affrontare questi problemi ambientali esistenti.
Un possibile modo per ridurre la presenza di CO2 nell'atmosfera è ideare strategie efficaci per riciclare CO2 e convertirlo in combustibili liquidi o altri materiali industriali, utilizzando idealmente elettricità prodotta in modo sostenibile. Per fare ciò, tuttavia, i ricercatori dovrebbero essere in grado di produrre prodotti di grande valore da CO2 a densità di corrente su scala industriale utilizzando una bassa quantità di energia elettrica.
I ricercatori dell'Università di Wuhan hanno recentemente introdotto una nuova strategia che potrebbe essere utilizzata per sintetizzare l'etilene, un gas idrocarburico infiammabile, dalla CO2 e acqua pura. Questa strategia, introdotta in un documento pubblicato su Nature Energy , comporta l'uso di ionomeri bifunzionali, un polimero reattivo, come elettroliti polimerici per attivare CO2 e consentirne la coelettrolisi efficiente con l'acqua per produrre etilene.
"Molti CO2 gli elettrolizzatori in fase di sviluppo utilizzano elettroliti liquidi (soluzioni KOH, ad esempio), ma l'utilizzo di elettroliti polimerici allo stato solido può in linea di principio migliorare l'efficienza e realizzare la coelettrolisi di CO2 e acqua pura, evitando problemi di corrosione e consumo di elettroliti", hanno scritto Wenzheng Li e i suoi colleghi nel loro articolo. "Tuttavia, una sfida chiave in questi sistemi è come favorire la produzione di molecole multicarbonio, come l'etilene, che in genere richiede un forte alcalino ambiente."
Per sintetizzare l'etilene da CO2, Li e i suoi colleghi hanno utilizzato un elettrolita polimerico alcalino (APE), che può ridurre lo spazio tra catodi e anodi a meno di decine di micrometri nelle architetture di assemblaggio di elettrodi a membrana (MEA). Questo a sua volta può ridurre la cosiddetta perdita ohmica interna (cioè la caduta di tensione causata dal trasferimento di elettroni nei circuiti o dal movimento di ioni attraverso elettroliti e membrane), migliorando l'efficienza di conversione energetica della tecnologia ad alte densità di corrente.
"Utilizziamo ionomeri bifunzionali come elettroliti polimerici che non solo sono ionicamente conduttivi, ma possono anche attivare CO2 all'interfaccia catalizzatore-elettrolita e favoriscono la sintesi dell'etilene, mentre si corre su acqua pura", hanno scritto Li e i suoi colleghi nel loro articolo. "In particolare, utilizziamo il poli(etere etere chetone) di ammoniaca quaternaria (QAPEEK), che contiene gruppi carbonilici nel catena polimerica, come elettrolita bifunzionale."
L'elettrolita polimerico proposto da Li e dai suoi colleghi potrebbe superare significativamente le prestazioni degli elettroliti liquidi, che sono integrati nella maggior parte della CO2 esistente elettrolizzatori, in quanto potrebbe migliorare l'efficienza energetica dei dispositivi. In particolare, il team è stato in grado di rendere bifunzionale lo ionomero utilizzato, in modo che fosse ionicamente conduttivo e attivasse CO2, interferendo con la reazione necessaria per ridurlo ad etilene.
I ricercatori hanno valutato il loro elettrolita integrandolo in un elettrolizzatore funzionante a CO2 e acqua pura. In questi test, hanno scoperto che il loro elettrolita polimerico aumentava la selettività dell'etilene al 50%, anche in assenza di un ambiente fortemente alcalino.
"L'elettrolizzatore funziona con CO2 e l'acqua pura mostra una densità di corrente totale di 1.000 mA cm −2 a tensioni di cella fino a 3,73 V. A 3,54 V", hanno scritto Li ei suoi colleghi nel loro articolo. "L'etilene è prodotto con una densità di corrente parziale su scala industriale di 420 mA cm −2 senza alcun consumo di elettroliti."
Il recente lavoro di questo team di ricercatori apre nuove possibilità per la conversione di CO2 in etilene su scala industriale. In futuro, potrebbe ispirare approcci simili per sintetizzare idrocarburi o altri gas industriali da CO2 utilizzando elettroliti polimerici alcalini. + Esplora ulteriormente
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