Биполярные мембранные электролизеры обеспечивают высокую однократную

Jan 25, 2024

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3609 (2022) Цитировать эту статью

12 тысяч доступов

38 цитат

11 Альтметрика

Подробности о метриках

В щелочных и нейтральных электролизерах CO2 MEA CO2 быстро превращается в (би)карбонат, что приводит к значительным потерям энергии, возникающим из-за отделения CO2 от выходов анодного газа. Здесь мы сообщаем, что электролизер CO2 использует биполярную мембрану (BPM) для преобразования (би)карбоната обратно в CO2, предотвращая пересечение; и это превышает предел однопроходного использования (SPU) (25% для многоуглеродных продуктов, C2+), от которого страдали предыдущие электролизеры с нейтральной средой. Мы используем стационарный небуферный слой католита между BPM и катодом для продвижения продуктов C2+, одновременно гарантируя, что (би)карбонат преобразуется обратно на месте в CO2 вблизи катода. Мы разработали модель, позволяющую спроектировать слой католита, обнаружив, что ограничение длины диффузионного пути ревертированного CO2 до ~ 10 мкм уравновешивает диффузионный поток CO2 со скоростью регенерации. Мы сообщаем об использовании CO2 за один проход на уровне 78%, что снижает затраты энергии, связанные с последующим отделением CO2, в 10 раз по сравнению с предыдущими системами.

CO2RR для производства C2+ требует одновременного достижения высокой производительности и высокой энергоэффективности1,2. Плотности тока в проточных ячейках (А в Таблице 1) и мембранно-электродных сборках (МЭА, Б в Таблице 1) достигли промышленно значимого уровня (парциальная плотность тока этилена > 100 мА см-2)3; однако энергетические потери, связанные с низким использованием CO2 за один проход (SPU: доля CO2, преобразованная в общий входящий CO2), еще предстоит снизить до практического уровня (SPU > 40%)4. Образование карбонатов и кроссовер в типичных электролизерах CO2RR ограничивают SPU до ≤25% для C2+ (подробности в SI1), налагая энергетические штрафы в размере 280–480 ГДж в щелочной среде и 80–130 ГДж в нейтральной среде для производства каждой тонны этилена5,6.

Анализ массового баланса CO2 и карбонатов в электролизерах с нейтральной средой (SI1) показывает, что для достижения высокого SPU необходимо, чтобы (би)карбонат не проникал через мембрану к аноду, а образовавшийся на катоде (би)карбонат должен превращаться в CO2 и остаются доступными для участия в CO2RR, возвращаясь к катоду.

Биполярные мембраны (БПМ) использовались для блокирования перехода CO2 и преобразования (би)карбоната обратно в CO27,8,9. В электролизерах CO2RR коммерческие BPM ингибируют потерю CO210, но кислотный катионообменный слой (CEL) ухудшает селективность катода по CO2RR10.

Чтобы решить проблему закисления катода, можно использовать буферный католит (например, KHCO3) между CEL и катодом9,11,12; такой подход (рис. 1а) обеспечивает pH на поверхности CEL ~3 и сохраняет катодный локальный pH >12. Однако в буферном католите (би)карбонат превращается в CO2 вблизи поверхности CEL (сплошная черная линия на рис. 1а), замедляя массоперенос возвращенного CO2 и снижая доступность реагентов для CO2RR. Это приводит к тому, что лучшие SPU, о которых сообщается, составляют ~ 15% в предыдущих электролизерах на основе BPM в электропроизводстве C2 + (SI3 и SI5). При проточном католите SPU еще ниже, ~6% согласно предыдущим отчетам, поскольку проточный католит удаляет ревертированный CO211. В результате предыдущие электролизеры на основе BPM (таблица 1) не превышали ограничение SPU в 25% для электропроизводства C2+ (SI3).

а Распределение CO2 (сплошные линии) и pH (пунктирные линии) в СК-слое толщиной 65 мкм. Положения, в которых (би)карбонаты превращаются в CO2, отмечены (красный — небуферный электролит, черный — буферный электролит). б Схемы и массоперенос в СК-БПМЕА. в Распределение pH внутри СК-слоя. г Профиль концентрации растворенного CO2 внутри SC-слоя. Виртуальные границы, отмеченные пунктирными линиями, определяются как положение, в котором концентрация CO2 становится на 1% ниже основной концентрации. Цифры, отмеченные выше, представляют собой расстояния между виртуальными границами и поверхностью катода.