Een internationaal onderzoeksteam van DTU heeft de houdbaarheid verlengd van elektrolyzers die CO₂ omzetten van een halve dag tot 100 uur. Dit is goed nieuws voor bedrijven die met dit proces werken. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Catalysis onder de titel "Identificeren en verlichten van de uitdagingen op het gebied van duurzaamheid in de membraanelektrode-assemblage voor snelle CO-elektrolyse."

Te veel CO₂ in de atmosfeer is een van de belangrijkste boosdoeners van de opwarming van de aarde. Maar stel je voor dat we afgevangen CO₂ zouden kunnen omzetten in waardevolle groene chemicaliën – en dat kunnen we. De conversie wordt mogelijk gemaakt via CO₂ elektrolyse, maar het proces is complex en kostbaar.

Onderzoekers zijn nu een stap dichter bij de ontwikkeling van een technologie die afgevangen CO₂ kan transformeren tot nuttige groene chemicaliën zoals ethyleen en ethanol, die gebruikt kunnen worden bij de productie van plastic.

De meeste kunststoffen die we momenteel gebruiken, worden geproduceerd uit op fossiele brandstoffen gebaseerde chemicaliën, die verantwoordelijk zijn voor ongeveer 5% van onze mondiale CO₂ uitstoot. CO₂ elektrolyse biedt een groen alternatief voor op fossiele brandstoffen gebaseerde chemicaliën en maakt tegelijkertijd gebruik van afgevangen CO₂ als hulpbron. Dit betekent dat de technologie een groot potentieel heeft om een ​​rol te spelen in de groene transitie van de samenleving.

"We hebben ontdekt waarom en waar in het chemische proces van elektrolyse van CO/CO₂ het elektrolyseapparaat degradeert. Onze resultaten bieden duidelijke richtlijnen voor onderzoekers en de industrie over hoe de duurzaamheid van apparaten voor CO/CO₂ kan worden verlengd elektrolyse, wat de commercialisering van de technologie zal versterken”, zegt DTU-professor Brian Seger.

Elektrolyse met CO₂

Om het belang van de resultaten te begrijpen, moeten we eerst de principes van elektrolyse begrijpen. Met elektrolyse kun je materie scheiden in de basiselementen of nieuwe chemische verbindingen maken. Het is een bekend chemisch proces dat plaatsvindt door elektrische stroom toe te voegen aan een elektrolyt, een oplossing of gesmolten verbinding die elektriciteit geleidt.

Hier zullen de positieve ionen van de elektrolyt worden aangetrokken door een kathode, terwijl de negatieve ionen van de elektrolyt worden aangetrokken door een anode. Bij de elektrolyse van water (H₂ O), zal de anode in een met water gevuld elektrolysevat zuurstof aantrekken (O₂ ), terwijl de kathode waterstof zal aantrekken (H₂ ), waarbij het water in zijn basiscomponenten wordt gesplitst.

Het eerste tussenproduct geproduceerd uit CO₂ elektrolyse is CO (koolmonoxide). Daarna volgt een CO-elektrolyse, waarbij de waardevolle chemicaliën ethanol (alcohol, die als brandstof gebruikt kan worden) en ethyleen (koolwaterstof, die gebruikt kan worden om het kunststofmateriaal polyethyleen te maken) geproduceerd kunnen worden.

De duurzaamheid nam toe van een halve dag naar 100 uur

CO₂ elektrolyse is een complex proces dat uit meerdere stappen bestaat en verschillende factoren kunnen de effectiviteit van het proces beïnvloeden. Een bijzondere uitdaging is het kapot gaan van de anode in de elektrolytoplossing, waardoor het apparaat na ongeveer een halve dag gebruik defect raakt. Dit maakt het proces zeer kostbaar en moeilijk op te schalen voor industrieel gebruik.

Maar omdat juist de duurzaamheid van de anode de onderzoekers hebben vergroot, is er wellicht goed nieuws op komst voor bedrijven die met CO₂ werken. elektrolyse.

De onderzoekers hebben aangetoond dat een van de grootste oorzaken van anodedegradatie de productie van acetaat op de kathode is, waar de omgeving alkalisch is. Hierdoor ontstaat er azijnzuur aan de anode, waardoor de pH daalt. Als het materiaal op de anode de nu lage pH van de elektrolyseoplossing niet aankan, zal het worden afgebroken en zal het elektrolyseapparaat na ongeveer 12 uur gebruik defect raken.

Door het acetaat te verwijderen en daarmee de pH van de elektrolytoplossing op peil te houden, hebben de onderzoekers ontdekt dat de duurzaamheid van de anode kan worden verlengd van een halve dag tot meer dan 100 uur. Terwijl de onderzoekers dit bereikten door de elektrolyse-oplossing elke 12 uur handmatig te vervangen als de pH te laag werd, zou een eenvoudig filter dit kunnen oplossen als het op de markt komt.

"Onze richtlijnen vertellen onderzoekers en de industrie dat ze de pH-waarde aan de anolytzijde moeten monitoren om een ​​pH te behouden die de anode niet aantast. Dit is een eenvoudig maar cruciaal punt voor de bedrijven die al beginnen met het commercialiseren van de anode. technologie", zegt DTU-professor Brian Seger.

Meer informatie: Qiucheng Xu et al, Identificeren en verlichten van de uitdagingen op het gebied van duurzaamheid bij membraan-elektrode-assemblageapparaten voor snelle CO2-elektrolyse, Natuurkatalyse (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01034-y

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door de Technische Universiteit van Denemarken