De opwarming van de aarde blijft een bedreiging vormen voor de menselijke samenleving en ecologische systemen, en koolstofdioxide is verantwoordelijk voor het grootste deel van de broeikasgassen die de opwarming van het klimaat domineren.

Om de klimaatverandering te bestrijden en dichter bij het doel van koolstofneutraliteit te komen, hebben onderzoekers van de Hong Kong Polytechnic University (PolyU) een duurzame, zeer selectieve en energie-efficiënte kooldioxide (CO₂) ontwikkeld. ) elektroreductiesysteem dat CO₂ kan omzetten omgezet in ethyleen voor industriële doeleinden om een ​​effectieve oplossing te bieden voor het verminderen van CO₂ uitstoot.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Energy en won een gouden medaille op de 48e Internationale Tentoonstelling van Uitvindingen in Genève in Zwitserland.

Ethyleen (C₂ H₄ ) is wereldwijd een van de meest gevraagde chemicaliën en wordt voornamelijk gebruikt bij de productie van polymeren zoals polyethyleen, dat op zijn beurt kan worden gebruikt om kunststoffen en chemische vezels te maken die vaak in het dagelijks leven worden gebruikt. Het wordt echter nog steeds grotendeels verkregen uit petrochemische bronnen en het productieproces brengt een zeer aanzienlijke ecologische voetafdruk met zich mee.

Onder leiding van prof. Daniel Lau, voorzitter hoogleraar nanomaterialen en hoofd van de afdeling Toegepaste Natuurkunde, adopteerde het onderzoeksteam de methode van elektrokatalytische CO₂ reductie – het gebruik van groene elektriciteit om koolstofdioxide om te zetten in ethyleen, wat een milieuvriendelijker alternatief en een stabiele ethyleenproductie oplevert.

Het onderzoeksteam werkt aan het promoten van deze opkomende technologie om deze dichter bij massaproductie te brengen, de koolstofkringloop te sluiten en uiteindelijk koolstofneutraliteit te bereiken.

De innovatie van prof. Lau is om af te zien van de alkalimetaalelektrolyt en zuiver water als metaalvrije anolyt te gebruiken om carbonaatvorming en zoutafzetting te voorkomen. Het onderzoeksteam noemt hun ontwerp het APMA-systeem, waarbij A staat voor anionenuitwisselingsmembraan (AEM), P het protonenuitwisselingsmembraan (PEM) vertegenwoordigt en MA de resulterende membraanconstructie aangeeft.

Toen een alkalimetaalvrije celstapel werd gebouwd die de APMA en een koperen elektrokatalysator bevatte, produceerde deze ethyleen met een hoge specificiteit van 50%. Het systeem kon ook meer dan 1000 uur werken met een stroomsterkte op industrieel niveau van 10 A. Dit is een zeer aanzienlijke verlenging van de levensduur ten opzichte van bestaande systemen, wat betekent dat het systeem eenvoudig kan worden uitgebreid naar industriële schaal.

Uit verdere tests bleek dat de vorming van carbonaten en zouten werd onderdrukt, terwijl er geen verlies aan CO₂ plaatsvond of elektrolyt. Dit is van cruciaal belang, omdat eerdere cellen die bipolaire membranen gebruikten in plaats van APMA leden aan elektrolytverlies als gevolg van de diffusie van alkalimetaalionen uit de anolyt. De vorming van waterstof in concurrentie met ethyleen, een ander probleem dat zich voordeed bij eerdere systemen die gebruik maakten van zure kathodeomgevingen, werd ook tot een minimum beperkt.

Een ander belangrijk kenmerk van het proces is de gespecialiseerde elektrokatalysator. Koper wordt gebruikt om een ​​breed scala aan reacties in de chemische industrie te katalyseren. De specifieke katalysator die door het onderzoeksteam werd gebruikt, profiteerde echter van enkele onderscheidende kenmerken.

De miljoenen koperen bollen op nanoschaal hadden een rijk gestructureerd oppervlak, met treden, stapelfouten en korrelgrenzen. Deze ‘defecten’ – vergeleken met een ideale metaalstructuur – zorgden voor een gunstige omgeving waarin de reactie kon verlopen.

Prof. Lau zei:“We zullen werken aan verdere verbeteringen om de productselectiviteit te vergroten en te zoeken naar samenwerkingsmogelijkheden met de industrie. Het is duidelijk dat dit APMA-celontwerp een transitie naar groene productie van ethyleen en andere waardevolle chemicaliën ondersteunt en kan bijdragen aan het verminderen van de CO2-uitstoot en het bereiken van het doel van CO2-neutraliteit."

Meer informatie: Xiaojie She et al., Elektrokatalytische CO2-reductie met zuiver water tot ethyleen na 1000 uur stabiliteit bij 10 A, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01415-4

Journaalinformatie: Natuurenergie

Aangeboden door Hong Kong Polytechnic University