«Обратный топливный элемент» для производства веществ

Возможность производства топлива, строительных материалов и других продуктов с нейтральным уровнем выбросов углерода является важным шагом на пути к снижению зависимости от ископаемого топлива

Топливные элементы превращают химические вещества в электричество. Однако, инженеры из Университета Торонто сделали обратное: использовали электричество для производства ценных химических элементов из двуокиси углерода (CO₂).

«В течение десятилетий талантливые исследователи разрабатывали системы, которые превращают электричество в водород и обратно». «Основываясь на этом наследии и молекулах на основе углерода, можно более эффективно использовать существующую углеводородную инфраструктуру».

Исследование [1] опубликовано в журнале Science.

В водородном топливном элементе водород и кислород соединяются на поверхности катализатора. Химическая реакция высвобождает электроны, которые улавливаются специальными материалами внутри топливного элемента и направляются в электрическую сеть.

Противоположностью топливного элемента является электролизер, который использует электричество для запуска химической реакции. Авторы исследования являются экспертами в области электролизеров, которые превращают CO₂ в другие молекулы на основе углерода, такие как этилен.

«Производство этилена в мире распространено очень широко. Он используется для изготовления всего, от антифриза до парковой мебели. Сегодня его получают из ископаемого топлива».

Современные электролизеры еще не производят этилен в достаточно больших масштабах, чтобы конкурировать с ископаемым топливом. Часть проблемы заключается в уникальной природе химической реакции, которая превращает CO₂ в этилен и другие молекулы на основе углерода.

«Реакция требует трех вещей: CO₂, который представляет собой газ, ионы водорода, которые поступают из жидкой воды, и электроны, которые проходят через металлический катализатор». «Быстрое объединение этих трех различных компонентов, особенно CO₂, является сложной задачей, и это ограничивает скорость реакции».

Для преодоления трудностей, связанных с объединением реагентов, в своей новой конструкции электролизера инженеры использовали уникальное сочетание материалов. Электроны доставляются с использованием катализатора на основе меди, разработанного учеными ранее. Но, вместо плоского металлического листа, катализатор в новом электролизере имеет форму мелких частиц, встроенных в слой материала, известного как "Нафион".

Нафион - это иономер - полимер, способный проводить заряженные частицы - ионы. Сегодня этот материал обычно используют в топливных элементах, где его роль заключается в транспортировке положительно заряженных ионов водорода (H⁺) внутри реактора.

«Экспериментально было обнаружено, что определенное расположение Нафиона может облегчить транспортировку таких газов, как CO₂». «Представленная конструкция позволяет газовым реагентам распределенным образом достигать поверхности катализатора достаточно быстро, чтобы значительно увеличить скорость реакции».

Поскольку реакция больше не ограничивается тем, как быстро все три реагента могут объединиться, исследователи смогли превратить CO₂ в этилен и другие продукты в 10 раз быстрее, чем раньше. Они достигли этого, не снижая общую эффективность реактора, то есть при тех же капитальных затратах.

Несмотря на успехи, устройство пока еще далеко от коммерческой жизнеспособности. Одна из основных оставшихся проблем связана со стабильностью катализатора при более высоких плотностях тока.

«Можно эксплуатировать систему только около десяти часов, прежде чем слой катализатора разрушится». «Это все еще далеко от поставленной цели в тысячу часов, которая потребуются для промышленного применения».

«Этилен был выбран в качестве примера, но эти принципы могут быть применены к синтезу и других ценных химических веществ, включая этанол». «В дополнение ко многим промышленным применениям этанол также широко используется в качестве топлива».

Возможность производства топлива, строительных материалов и других продуктов с нейтральным уровнем выбросов углерода является важным шагом на пути к снижению зависимости от ископаемого топлива.

«Даже если перестать использовать нефть для производства энергии, все эти молекулы все равно останутся нужны». «Если станет возможным производить их с использованием отработанного CO₂ и возобновляемых источников энергии, можно будет оказать существенное влияние на обезуглероживание мировой экономики».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/science.aay4217

Источник: University of Toronto Engineering