Gli elettrolizzatori a membrana bipolare consentono un'elevata singola

Jan 25, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3609 (2022) Citare questo articolo

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Negli elettrolizzatori di CO2 MEA alcalini e neutri, la CO2 si converte rapidamente in (bi)carbonato, imponendo una significativa penalità energetica derivante dalla separazione della CO2 dalle uscite del gas dell'anodo. Qui riportiamo che un elettrolizzatore di CO2 utilizza una membrana bipolare (BPM) per riconvertire il (bi)carbonato in CO2, impedendo il crossover; e che supera il limite di utilizzo a passaggio singolo (SPU) (25% per i prodotti multi-carbonio, C2+) riscontrato dai precedenti elettrolizzatori a supporto neutro. Utilizziamo uno strato catolitico stazionario non tamponato tra BPM e catodo per promuovere i prodotti C2+ garantendo al tempo stesso che il (bi)carbonato venga riconvertito, in situ, in CO2 vicino al catodo. Sviluppiamo un modello che consente la progettazione dello strato catolitico, scoprendo che limitare la lunghezza del percorso di diffusione della CO2 ripristinata a ~10 μm bilancia il flusso di diffusione della CO2 con la velocità di rigenerazione. Riportiamo un utilizzo della CO2 a passaggio singolo del 78%, che riduce l’energia associata alla separazione a valle della CO2 di 10 volte rispetto ai sistemi precedenti.

La CO2RR per la produzione di C2+ richiede il raggiungimento simultaneo di un elevato tasso di produzione e di un’elevata efficienza energetica1,2. Le densità di corrente nelle celle a flusso (A nella Tabella 1) e nei gruppi membrana-elettrodo (MEA, B nella Tabella 1) hanno raggiunto livelli rilevanti a livello industriale (densità di corrente parziale di etilene > 100 mA cm−2)3; tuttavia, la penalità energetica associata al basso utilizzo di CO2 a passaggio singolo (SPU: la frazione di CO2 convertita in CO2 totale in ingresso) deve ancora essere ridotta a livelli pratici (SPU > 40%)4. La formazione di carbonato e il crossover nei tipici elettrolizzatori CO2RR limitano l'SPU a ≤25% per C2+ (dettagli in SI1), imponendo penalità energetiche di 280–480 GJ in mezzi alcalini e di 80–130 GJ in mezzi neutri, per la produzione di ogni tonnellata di etilene5,6.

L'analisi del bilancio di massa di CO2 e carbonato negli elettrolizzatori a mezzo neutro (SI1) indica che per ottenere un elevato SPU è necessario che il (bi)carbonato non attraversi la membrana fino all'anodo e che il (bi)carbonato formato al catodo debba ritornare in CO2 e rimangono disponibili per partecipare al CO2RR ritornando al catodo.

Le membrane bipolari (BPM) sono state utilizzate per bloccare il crossover della CO2 e riconvertire il (bi)carbonato in CO27,8,9. Negli elettrolizzatori CO2RR, i BPM commerciali inibiscono la perdita di CO210, ma lo strato di scambio cationico acido (CEL) degrada la selettività CO2RR del catodo10.

Per affrontare l'acidificazione del catodo, è possibile utilizzare un catolita tampone (ad esempio KHCO3) tra CEL e catodo9,11,12; questo approccio (Fig. 1a) fornisce un pH sulla superficie CEL di ~ 3 e mantiene il pH locale catodico> 12. Tuttavia, in un catolita tamponante, il (bi)carbonato ritorna in CO2 vicino alla superficie del CEL (linea nera continua in Fig. 1a), rallentando il trasferimento di massa della CO2 ripristinata e riducendo la disponibilità dei reagenti per CO2RR. Ciò porta ai migliori SPU riportati di circa il 15% nei precedenti elettrolizzatori basati su BPM nell'elettroproduzione C2+ (SI3 e SI5). Quando il catolita scorre, l'SPU è ancora più basso, circa il 6% secondo i rapporti precedenti, perché il catolita che scorre rimuove la CO211 ritornata. Di conseguenza, i precedenti elettrolizzatori basati su BPM (Tabella 1) non hanno superato la limitazione del 25% SPU per l'elettroproduzione C2+ (SI3).

a Le distribuzioni di CO2 (linee continue) e pH (linee tratteggiate) nello strato SC di 65 μm di spessore. Le posizioni in cui i (bi)carbonati ritornano a CO2 sono contrassegnate (rosso per l'elettrolita non tamponante e nero per l'elettrolita tamponante). b Gli schemi e il trasferimento di massa nel SC-BPMEA. c La distribuzione del pH all'interno dello strato SC. d Il profilo di concentrazione di CO2 disciolta all'interno dello strato SC. I confini virtuali contrassegnati da linee tratteggiate sono definiti come la posizione in cui la concentrazione di CO2 diventa inferiore dell'1% rispetto alla concentrazione apparente. I numeri sopra indicati sono le distanze tra i confini virtuali e la superficie del catodo.