Studie onthult het mechanisme van selectiviteitswisseling van ethyleen naar acetaat bij snelle CO2/CO-elektrolyse

Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Bao Xinhe, Wang Guoxiong en Gao Dunfeng van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) hebben het mechanisme onthuld van door dekking aangedreven selectiviteitswisseling van ethyleen naar acetaat in CO met hoge snelheid₂/CO-elektrolyse.

De studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 12 januari.

Elektrolyse van CO₂ naar waardevolle chemicaliën en brandstoffen met stroomvoorziening afkomstig van hernieuwbare energie is naar voren gekomen als een veelbelovende technologie voor het afvangen, gebruiken en opslaan van koolstof.

Om de CO te duwen₂ elektrolyseproces naar praktische toepassing, hoge selectiviteit van multikoolstof (C₂₊) producten met industriële stroomdichtheden is zeer wenselijk. Bovendien is aangetoond dat het afstemmen van de micro-omgevingen nabij katalysatoroppervlakken ook effectief is bij het vergemakkelijken van C-C-koppeling en het verbeteren van C₂₊ productie.

In deze studie hebben de onderzoekers de micro-omgeving van de katalysator afgestemd met behulp van gemengde CO / CO₂ voedingen die een typische samenstelling waren van afvalgassen van staalfabrieken en onvolledige industriële verbranding van fossiele brandstoffen. Concreet onderzochten ze CO/CO₂ co-elektrolyse over een nanoporeuze CuO nanosheet-katalysator in een alkalische membraanelektrode-assemblage (MEA) elektrolyseur bij hoge stroomdichtheden.

“Met toenemende CO-druk in de voeding verschoof het belangrijkste product geleidelijk van ethyleen naar acetaat en nam de stroomdichtheid opmerkelijk toe, tot 3,0 A cm^-2 onder 0,6 MPa zuivere CO2-voeding, “zei prof. Wang.

“De selectiviteitsschakelaar werd geïnduceerd door *CO-dekking en lokale pH. Ethyleen werd bij voorkeur gegenereerd bij lage *CO-dekking, terwijl acetaatvorming gunstig was bij hoge *CO-dekking en hoge lokale pH, ” zei prof. Gao.

De onderzoekers verbeterden de elektrolyseprestaties verder door de elektrolyseomstandigheden te optimaliseren. De Faraday-efficiëntie en partiële stroomdichtheid van C₂₊ producten bereikten 90,0% en 3,1 A cm^-2wat overeenkomt met een koolstofselectiviteit van 100,0% en een opbrengst van 75,0%, presteert beter dan thermokatalytische CO-hydrogenering.

De opschaling van het CO-elektrolyseproces werd gedemonstreerd met behulp van een elektrolyzerstapel bestaande uit vier 100 cm² MEA’s, met de hoogste ethyleenvormingssnelheid van 457,5 ml min^-1 bij 150 A en een acetaatvormingssnelheid van 2,97 g min^-1 bij 250 A.

“Ons werk benadrukt de belofte van afstemming van katalysator-micro-omgevingen voor selectieve productie van enkele C₂₊ producten zoals acetaat en ethyleen, en presenteert een effectieve opschalingsdemonstratie van CO met hoge snelheid₂/CO-elektrolyse naar praktische toepassing’, zegt prof. Wang.