多孔隔板提高了電解槽減少一氧化碳的效率

電解槽是利用電力驅動所需化學反應的裝置，可以生產純氫 (H₂) 水中產生的氣體 (H₂O）和二氧化碳轉化率（CO₂）轉化為有用的燃料或工業化學品。當談到減少二氧化碳排放時₂溫室氣體可以首先轉化為一氧化碳 (CO)，然後進一步加工以生產所需的化合物。

大多數現有電解槽由陰極（即電子進入並導致化合物還原的地方）和陽極（即電子離開並發生氧化的地方）組成。這兩層由一種稱為分離器的東西分開，這種材料允許離子在其他兩層之間移動。

在大多數傳統電解槽中，這種分離器是一種電荷選擇性膜，它是一種屏障，主要允許一種類型的帶電離子通過，同時捕獲其他類型的帶電離子。儘管這些膜仍然被廣泛使用，但眾所周知，它們會減慢電解槽中帶電粒子（即離子）的傳輸，從而限制其能源效率。

多倫多大學的研究人員最近證明了用多孔隔膜取代電荷選擇性膜的潛力，多孔隔膜是帶有微小孔的薄材料，可以讓正離子和負離子更自由地移動。他們的論文 發表 V 自然能源 研究表明，多孔分離器可以提高電解槽的能源效率和轉化率，將二氧化碳還原為乙烯和其他所需的碳基產品。

“多年來，電解槽中的二氧化碳含量一直被限制在 40% 左右，這是這項技術大規模推廣的主要障礙，”該論文的第一作者苗睿凱 (Rui Kai Miao) 告訴 Tech Xplore。 “這些系統通常使用陰離子交換膜 (AEM)，這種材料旨在允許負離子通過，同時保持氣體分離。理論上這是理想的，但實際上 AEM 仍然相對不成熟，並且往往會導致高電壓損失。我們開始問一個簡單的問題：為什麼我們甚至需要電荷選擇性膜？”

用多孔分離器代替離子選擇性材料

繆和他的同事開始探索這樣的想法：他們真正需要的是物理屏障，以防止電解質內兩個電極（即陰極和陽極）之間的氣體轉移。雖然這遠不是​​一個新想法，但它以前主要應用於鹼性水電解槽，而不是二氧化碳或二氧化碳減排系統。₂。

“一旦我們重新考慮這個基本假設，一個全新的設計空間就為我們打開了，”苗解釋道。 “在 CO 電解槽中，我們採用一氧化碳 (CO)，它本身可以由 CO 製成。₂ 利用現有技術，我們利用電和水將其轉化為更複雜的分子，例如乙烯。從本質上講，這是一種將可再生電力轉化為化學能的方法，以有用的形式捕獲碳。 ”

該團隊的設計保留了電解槽原有的三層結構。因此，他們提出的系統還包括一個二氧化碳被還原的陰極、一個水被氧化的陽極以及它們之間的分離器。

“主要的區別在於我們的分離器不帶電且多孔，而不是離子選擇性的，”苗說。 “這使得離子能夠更自由地移動，降低電阻，並使整個電池更加高效和穩定。”

最初，繆和他的同事測試了最初開髮用於鹼性水電解槽的各種分離材料。不幸的是，他們發現當他們直接在系統中使用這些材料來減少二氧化碳排放時，並沒有顯著提高其性能。

“當我們測量它們的特性（厚度和孔隙率）時，我們發現它們緻密且相對較厚，這減慢了離子傳輸，”苗解釋道。 “在鹼性水的電解中，這些特性有助於限制氫的轉變，因為 H₂ 在水中擴散得非常快。在 CO 電解中，關鍵物質——CO（試劑）和乙烯（產物）——的擴散速度比 H 慢得多。₂。這讓我們有機會重新思考隔膜，我們開始嘗試多孔和薄的材料。 ”

改善能源系統的新戰略

最終，研究人員發現多孔材料降低了電池電壓並提高了生產率。事實上，他們能夠實現 51% 的能源效率，同時將二氧化碳減少為高碳化學品，電解槽可以可靠運行 250 小時。

“由於我們使用的多孔隔膜的化學穩定性也非常穩定，因此我們能夠在更高的溫度下運行電解槽，進一步降低電池電壓，並且運行時間更長，”苗說。 “我們現在在我們的項目中使用多孔不帶電分離器。它們價格低廉、可靠且易於處理，最重要的是，我們可以調整孔隙率、厚度和孔徑大小，以控制不同目標產品的離子傳輸和局部反應環境。”

未來，這項最新研究可能會激勵其他能源工程師開髮帶有多孔分離器而不是離子選擇性傳輸膜的電解槽。與此同時，Miao 和他的同事計劃使用類似的方法來提高其他電解槽或能源解決方案的性能，這些電解槽或能源解決方案可以受益於離子傳輸的改進。

“我們已經在擴展我們的二氧化碳處理方法₂ 還原和相關的電合成途徑，”苗補充道。“我們還致力於擴大這些基於分離器的電解槽的規模。當擴大規模時，這些分離器具有非常實用的優勢。與許多需要仔細水合且機械脆性的電荷選擇性膜不同，分離器可以乾式或濕式組裝，結構堅固，並且易於堆疊。

“當我們轉向更大的活躍區域和多電池堆時，這有助於我們減少組裝故障，同時我們努力實現更長時間的運行以及與間歇性可再生能源的集成。”

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