Ugljen-dioksid (CO₂) je i suštinski resurs za život na Zemlji i gas staklene bašte koji doprinosi globalnom zagrevanju. Danas naučnici istražuju CO₂ kao obećavajući resurs koji se može iskoristiti za stvaranje obnovljivih goriva sa niskim sadržajem ugljenika i hemijskih proizvoda visoke vrednosti.
Izazov za istraživače je bio da identifikuju efikasne i isplative puteve konverzije CO₂ u premium ugljenične intermedijere, kao što su ugljen monoksid, metanol ili mravlja kiselina.
Istraživački tim na čelu sa K.C. Neierlin u Nacionalnoj laboratoriji za obnovljivu energiju (NREL), sa članovima iz Nacionalne laboratorije Argonne i Nacionalne laboratorije Oak Ridge, otkrio je obećavajuće rešenje za ovaj izazov. Tim je razvio put konverzije za proizvodnju mravlje kiseline iz CO₂ sa visokom energetskom efikasnošću i izdržljivošću uz korišćenje obnovljive električne energije.
Studija pod nazivom „Skalabilna arhitektura sklopa membranskih elektroda za efikasnu elektrohemijsku konverziju CO₂ u mravlju kiselinu“ objavljena je u Nature Communications.
Mravlja kiselina je potencijalna intermedijarna hemikalija sa širokim spektrom primene, posebno kao sirovina za hemijsku ili bioproizvodnu industriju. Mravlja kiselina je takođe identifikovana kao input za biološku nadogradnju u održivo gorivo za vazduhoplovstvo.
Kada se električni potencijal primeni na ćeliju elektrolizera, CO₂ elektroliza rezultira redukcijom CO₂ u hemijske intermedijere kao što je mravlja kiselina ili molekule kao što je etilen.
Sklop membranske elektrode (MEA) u ćeliji elektrolizera obično uključuje jonski provodljivu membranu (katjonski ili anjonski izmene) pritisnutu između dve elektrode koje se sastoje od elektrokatalizatora i jonski provodljivih polimera.
Koristeći iskustvo tima u gorivnim ćelijama i tehnologiji elektrolize vodonika, istražili su nekoliko MEA konfiguracija u ćeliji elektrolizera kako bi uporedili elektrohemijsku redukciju CO₂ u mravlju kiselinu.
Na osnovu analize kvarova za različite dizajne, tim je pokušao da iskoristi ograničenja u trenutnim setovima materijala, posebno nedostatak isključenja jona u današnjim membranama za izmenu anjona, i da pojednostavi celokupni dizajn sistema.
Dobijeni pronalazak NREL-ovog K.C. Neierlin i Leiming Hu je bio MEA elektrolizer modifikovan sa novom perforiranom membranom za izmenu katjona. Ova perforirana membrana je pomogla u postizanju stabilne proizvodnje mravlje kiseline visoke selektivnosti i pojednostavljuje dizajn korišćenjem komponenti sa police.
„Rezultat ove studije je promena paradigme u elektrohemijskoj proizvodnji organskih kiselina poput mravlje kiseline“, rekao je odgovarajući autor Nejerlin. „Arhitektura perforirane membrane smanjuje složenost prethodnih dizajna i takođe se može iskoristiti za poboljšanje energetske efikasnosti i izdržljivosti za druge uređaje za elektrohemijsku konverziju CO₂.“
Kao i kod svakog istraživačkog prodora, važno je razumeti pokretače troškova i ekonomsku održivost. Kroz saradnju među direkcijama, istraživači NREL-a Zhe Huang i Ling Tao dali su tehno-ekonomsku analizu identifikujući puteve do pariteta troškova sa današnjim industrijskim procesima proizvodnje mravlje kiseline kada su troškovi obnovljive električne energije bili na ili ispod 2,3 centa po kVh.
„Tim je postigao ove rezultate sa komercijalno dostupnim katalizatorima i polimernim membranskim materijalima, dok je proizvodio MEA dizajn koji koristi skalabilnost današnjih gorivih ćelija i elektrolize vodonika“, rekao je Nejerlin.
„Rezultati ove studije mogu omogućiti brži prelazak na obim i komercijalizaciju korišćenjem obnovljive električne energije i vodonika za pretvaranje CO₂ u goriva i hemikalije.
Tehnologije elektrohemijske konverzije su glavni stub NREL-ove inicijative Elektroni u molekule, koja se fokusira na procese pokretane električnom energijom za buduću generaciju obnovljivog vodonika, goriva sa nultom neto, hemikalija i materijala.
„Naša inicijativa istražuje puteve koji koriste obnovljivu električnu energiju za pretvaranje molekula kao što su CO₂ i voda u jedinjenja koja mogu da deluju kao nosioci energije i/ili prekursori za proizvodnju goriva ili hemikalija“, rekao je Rendi Kortrajt, NREL-ov strateški vođa za elektrone u molekule.
„Ovo istraživanje elektrohemijske konverzije pruža proboj koji se može koristiti u nizu procesa elektrohemijske konverzije, i radujemo se dodatnim obećavajućim rezultatima iz ove grupe.“
