В их исследовании, опубликованном в Science, рассматривается основное узкое место в производительности и стабильности систем снижения содержания _CO2: накопление соли, которая закупоривает каналы подачи газа, снижает эффективность и приводит к преждевременному выходу устройств из строя. Используя метод, который они называют увлажнением _CO2 кислотой, исследователи увеличили срок службы системы восстановления _CO2 более чем в 50 раз, продемонстрировав более 4500 часов стабильной работы в увеличенном реакторе - это важная веха в данной области.

Электрохимическое восстановление _CO2, или _CO2 RR, - это новая экологичная технология, которая использует электроэнергию, в идеале из возобновляемых источников, для преобразования _CO2, вызывающего потепление климата, в ценные продукты, такие как монооксид углерода, этилен или спирты. Эти продукты могут быть дополнительно переработаны в топливо или использованы в промышленных процессах, потенциально превращая основной загрязнитель в сырье.

Однако практическому внедрению препятствовала низкая стабильность системы. Одной из постоянных проблем является накопление солей бикарбоната калия в каналах подачи газа, которое происходит, когда ионы калия мигрируют из анолита через анионообменную мембрану в зону катодной реакции и соединяются с _CO2 в условиях высокого рН.

"Осаждение соли блокирует перенос _CO2 и заливает газодиффузионный электрод, что приводит к снижению производительности", - сказал Хаотянь Ван, автор исследования и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения, наноинженерии и химии в Rice. "Обычно это происходит в течение нескольких сотен часов, что далеко от коммерческой целесообразности".

Чтобы бороться с этим, команда Райса попробовала элегантный подход к стандартной процедуре. Вместо того чтобы использовать воду для увлажнения поступающего в реактор газа _CO2, они пропускали газ через кислотный раствор, такой как соляная, муравьиная или уксусная кислота.

Пары кислоты попадают в катодную реакционную камеру в ничтожных количествах, достаточных лишь для изменения местного химического состава. Поскольку соли, образующиеся с этими кислотами, гораздо более растворимы, чем бикарбонат калия, они не кристаллизуются и не закупоривают каналы.

Эффект был впечатляющим. В ходе испытаний с использованием серебряного катализатора - распространенного эталона для преобразования _CO2 в монооксид углерода - система стабильно работала более 2000 часов в лабораторном устройстве и более 4500 часов в электролизере увеличенного размера площадью 100 квадратных сантиметров. Напротив, системы, использующие стандартный увлажненный водой _CO2, вышли из строя примерно через 80 часов из-за накопления соли.

Важно отметить, что метод кислотного увлажнения доказал свою эффективность для различных типов катализаторов, включая оксид цинка, оксид меди и оксид висмута, все из которых используются для получения различных продуктов окисления _CO2. Исследователи также продемонстрировали, что метод можно масштабировать без ущерба для производительности крупномасштабных устройств, сохраняя энергоэффективность и избегая засорения солями в течение длительного времени.

Они наблюдали минимальную коррозию или повреждение анионообменных мембран, которые обычно чувствительны к хлориду, благодаря поддержанию низких концентраций кислоты. Было также показано, что этот подход совместим с широко используемыми мембранами и материалами, что усиливает его потенциал для интеграции в существующие системы.

Чтобы наблюдать за образованием солей в режиме реального времени, команда использовала специально изготовленные реакторы с прозрачными проточными пластинами. При обычном увлажнении водой кристаллы соли начали образовываться в течение 48 часов. Однако при увлажнении _CO2 кислотой не наблюдалось значительного накопления кристаллов даже по прошествии сотен часов, и любые небольшие отложения в конечном итоге растворялись и выводились из системы.

"Использование традиционного метода увлажнения _CO2 водой может привести к образованию солей в каналах подачи катодного газа", - сказал соавтор Шаоюн Хао, научный сотрудник в области химической и биомолекулярной инженерии в Rice. "Мы выдвинули гипотезу - и подтвердили, - что пары кислоты могут растворять соль и превращать KHCO ₃ с низкой растворимостью в соль с более высокой растворимостью, таким образом изменяя баланс растворимости ровно настолько, чтобы избежать засорения, не влияя при этом на работу катализатора".

Эта работа открывает путь к созданию более долговечных и масштабируемых электролизеров _CO2, что крайне необходимо для внедрения технологии в промышленных масштабах в рамках стратегий улавливания и утилизации углерода. Простота подхода, включающего лишь небольшие изменения в существующих установках увлажнения, означает, что его можно внедрить без значительных переделок или дополнительных затрат.

"Это важное открытие для электролиза _CO2", - сказал Ахмад Эльгаззар, соавтор и аспирант кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Rice. "Наш метод устраняет давнее препятствие с помощью недорогого, легко реализуемого решения. Это шаг к тому, чтобы сделать технологии утилизации углерода более коммерчески жизнеспособными и устойчивыми".

Эта работа была поддержана Фондом Роберта А. Уэлча, Райс, Национальным научным фондом и фондом Дэвида и Люсиль Паккард.