Пористые сепараторы: революция в электролизерах для CO

Электролизеры, устройства, преобразующие электрическую энергию в химические реакции, открывают путь к производству чистого водорода из воды, а также к переработке углекислого газа (CO2) в ценные химикаты и топливо. Одним из перспективных направлений является восстановление CO2 сначала до монооксида углерода (CO), а затем его дальнейшая конверсия.

Стандартная конструкция электролизеров включает катод, где происходит восстановление веществ, и анод для окисления. Эти электроды разделены сепаратором – материалом, обеспечивающим ионную проводимость. В большинстве случаев используются ионоселективные мембраны, пропускающие определенный тип заряженных частиц и блокирующие другие. Однако такие мембраны зачастую замедляют транспорт ионов, что снижает общую энергоэффективность электролизеров.

Исследователи из Университета Торонто представили инновационный подход, заменив традиционные ионоселективные мембраны пористыми сепараторами. Эти тонкие материалы с микроскопическими порами обеспечивают более свободное перемещение как положительных, так и отрицательных ионов. Согласно публикации в Nature Energy, такой подход значительно повышает энергоэффективность и скорость превращения CO в этилен и другие востребованные углеводородные соединения.

"Раньше эффективность электролизеров для переработки CO редко превышала 40%, что препятствовало их масштабированию", – отмечает Жуй Кай Мяо, ведущий автор исследования. "В этих системах обычно применяются анионообменные мембраны (АОМ), разработанные для пропускания отрицательно заряженных ионов. Теоретически, это идеальное решение, но на практике АОМ пока несовершенны и вызывают значительные потери напряжения. Мы задались вопросом: а так ли необходима ионоселективная мембрана?"

Альтернативный подход: пористые сепараторы вместо ионоселективных

Ученые предположили, что главной задачей сепаратора является обеспечение физического барьера для газов между электродами, а не строгая селекция ионов. Эта идея ранее применялась в щелочных электролизерах для производства водорода, но не в системах восстановления CO или CO2.

"Пересмотр базового предположения открыл новые возможности в дизайне", – поясняет Мяо. "В CO-электролизере мы берем монооксид углерода (CO), который может быть получен из CO2 с помощью уже существующих технологий, и с помощью электричества и воды превращаем его в более сложные молекулы, например, этилен. По сути, это способ преобразования возобновляемой энергии в химическую, связывая углерод в полезной форме.".

Разработанная система сохраняет трехслойную структуру электролизера: катод для восстановления CO, анод для окисления воды и пористый сепаратор между ними. "Ключевое отличие – наш сепаратор неионоселективный и пористый, а не зарядоселективный", – подчеркивает Мяо. "Это способствует более свободному движению ионов, снижает электрическое сопротивление и делает всю ячейку более эффективной и стабильной.".

Первоначальные тесты с сепараторами, предназначенными для щелочных электролизеров, не дали существенного прироста производительности. "Их толщина и плотность замедляли транспорт ионов", – объясняет Мяо. "В CO-электролизе, где реагенты и продукты диффундируют медленнее, чем водород в щелочных системах, появилась возможность использовать более тонкие и пористые материалы.".

Новая стратегия для повышения эффективности энергосистем

Исследователям удалось добиться снижения напряжения электролизера и увеличения его производительности. Энергоэффективность восстановления CO до многоуглеродных соединений достигла 51%, при этом устройство стабильно работало в течение 250 часов.

"Пористые сепараторы обладают высокой химической стабильностью, что позволило нам работать при повышенных температурах, снижая напряжение ячейки и продлевая время эксплуатации", – говорит Мяо. "Мы активно внедряем эти сепараторы в другие проекты. Они недороги, прочны и просты в обращении. Более того, мы можем регулировать их пористость, толщину и размер пор для оптимизации ионного транспорта и локальной реакционной среды под конкретные продукты.".

Данное исследование может стимулировать разработку электролизеров с пористыми сепараторами вместо ионоселективных мембран. Исследователи планируют применить аналогичный подход для улучшения других электрохимических систем.

"Мы уже расширяем наше исследование на восстановление CO2 и смежные электросинтетические процессы", – добавляет Мяо. "Также мы работаем над масштабированием таких электролизеров. Эти сепараторы обладают значительными практическими преимуществами при масштабировании. В отличие от многих зарядоселективных мембран, требующих поддержания влажности и обладающих механической хрупкостью, наши сепараторы могут монтироваться как в сухом, так и во влажном состоянии, отличаются прочностью и упрощают сборку стеков. Это помогает снизить процент брака при переходе к большим активным площадям и многоячеечным системам, одновременно повышая продолжительность работы и интеграцию с нестабильными возобновляемыми источниками энергии.".