Исследователи из Токийского столичного университета добились прогресса в промышленном преобразовании раствора бикарбоната, полученного из улавливаемого углерода, в раствор формиата — экологически чистое топливо. Их новая электрохимическая ячейка с пористым мембранным слоем между электродами преодолевает основные проблемы, возникающие при реактивном улавливании углерода (RCC), и достигает производительности, конкурирующей с энергоемкими газовыми методами. Подобные процессы напрямую повышают ценность потоков отходов и имеют важное значение для достижения нулевых выбросов.
Технология улавливания углерода является важной частью глобальной стратегии по сокращению выбросов и борьбе с изменением климата. Но важный вопрос о том, что нам делать с уловленным углекислым газом, остается открытым. Должны ли мы просто сбросить его под землю или есть другие решения? Ученые, безусловно, так думают. Используя передовые катализаторы и химические процессы, ведутся работы по превращению улавливаемого продукта во что-то более полезное для общества.
Особенно интересное применение — преобразование углекислого газа в экологически чистое топливо. Была разработана технология использования электрохимических элементов для восстановления углекислого газа до формиата, который сам по себе может использоваться в формиатных топливных элементах для производства электроэнергии. Однако существенным препятствием является потребность в чистом углекислом газе: сжатие углекислого газа может быть очень энергоемким. Газ не преобразуется очень эффективно, и ячейки служат недолго. Именно здесь на помощь приходит реактивный захват углерода, когда углекислый газ, растворенный в щелочных растворах, таких как растворы бикарбоната, может быть напрямую использован для создания формиат-ионов без потерь, связанных с получением чистого газа. Основная задача, стоящая перед исследователями, — это разработка более совершенной электрохимической ячейки, которая могла бы избирательно производить формиат-ионы из ионов бикарбоната, не тратя время на побочные реакции, такие как производство водорода.
Группа исследователей под руководством профессора Фумиаки Амано из Токийского столичного университета создала новую ячейку с превосходной селективностью для преобразования ионов бикарбоната в формиат-ионы. В новой ячейке электроды из каталитического материала отделены от мембраны полимерного электролита пористой мембраной из эфира целлюлозы. Ионы водорода, образующиеся на электроде, проходят через мембрану электролита и достигают пористого слоя, где вступают в реакцию с ионами бикарбоната, эффективно выделяя в порах углекислый газ. Затем газ преобразуется в формиат-ионы на другом электроде, также находящемся в контакте с пористой мембраной. Когда они включили свою ячейку, они обнаружили, что фарадеевская эффективность их ячейки, то есть доля электронов, конвертируемых в формиат, а не в другие соединения, составила 85%, даже при очень высоких токах. Это не только превосходит существующие конструкции, но и показало, что ячейка работает бесперебойно более 30 часов и обеспечивает почти полное превращение бикарбоната в формиат. После слива воды остается только твердое кристаллическое формиатное топливо.
Учитывая технологические требования изменения климата, подобные улучшения в эффективной работе электрохимических элементов обещают иметь большое влияние. Команда надеется, что ее новый электролизер бикарбоната может стать жизнеспособным вариантом для компании в ее усилиях по переходу к «зеленой» трансформации.
Эта работа была поддержана столичным правительством Токио.
