Microscopie électronique à balayage en coupe transversale et images de cartographie élémentaire par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie du Cu GDE après électrolyse, indiquant la forte précipitation de sel se produisant dans les pores hydrophobes du Cu GDE. Barre d'échelle, 100 μm. Crédit :Li et al. (Énergie naturelle , 2022)
Au cours du siècle dernier environ, les activités humaines ont entraîné une détérioration rapide de l'environnement sur Terre, avec des effets néfastes tels que le changement climatique et une augmentation du CO atmosphérique2 . De nombreux scientifiques du monde entier ont donc tenté de concevoir de nouvelles technologies et solutions qui pourraient aider à résoudre ces problèmes environnementaux existants.
Une voie possible pour réduire la présence de CO2 dans l'atmosphère est de concevoir des stratégies efficaces pour recycler le CO2 et le convertir en combustibles liquides ou autres matériaux industriels, idéalement en utilisant de l'électricité produite de manière durable. Pour ce faire, cependant, les chercheurs doivent être en mesure de produire des produits de grande valeur à partir de CO2 à des densités de courant à l'échelle industrielle utilisant une faible quantité d'énergie électrique.
Des chercheurs de l'Université de Wuhan ont récemment introduit une nouvelle stratégie qui pourrait être utilisée pour synthétiser l'éthylène, un gaz d'hydrocarbure inflammable, à partir de CO2 et de l'eau pure. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Nature Energy , implique l'utilisation d'ionomères bifonctionnels, un polymère réactif, comme électrolytes polymères pour activer le CO2 et permettre sa co-électrolyse efficace avec de l'eau pour produire de l'éthylène.
"Beaucoup de CO2 les électrolyseurs en cours de développement utilisent des électrolytes liquides (solutions de KOH, par exemple), mais l'utilisation d'électrolytes polymères à l'état solide peut en principe améliorer l'efficacité et réaliser une co-électrolyse du CO2 et de l'eau pure, en évitant les problèmes de corrosion et de consommation d'électrolytes », ont écrit Wenzheng Li et ses collègues dans leur article. « Cependant, un défi clé dans ces systèmes est de savoir comment favoriser la production de molécules multicarbonées, telles que l'éthylène, qui nécessite généralement une forte alcaline. environnement."
Pour synthétiser l'éthylène à partir de CO2, Li et ses collègues ont utilisé un électrolyte polymère alcalin (APE), qui peut réduire l'écart entre les cathodes et les anodes à moins de dizaines de micromètres dans les architectures d'assemblage d'électrodes à membrane (MEA). Cela peut à son tour réduire la soi-disant perte ohmique interne (c.>
"Nous utilisons des ionomères bifonctionnels comme électrolytes polymères qui sont non seulement conducteurs d'ions, mais peuvent également activer le CO2 à l'interface catalyseur-électrolyte et favorisent la synthèse d'éthylène, tout en fonctionnant à l'eau pure », ont écrit Li et ses collègues dans leur article. « Plus précisément, nous utilisons de l'ammoniac quaternaire poly (éther éther cétone) (QAPEEK), qui contient des groupes carbonyle dans le chaîne polymère, comme électrolyte bifonctionnel."
L'électrolyte polymère proposé par Li et ses collègues pourrait nettement surpasser les électrolytes liquides, qui sont intégrés dans la plupart des CO2 existants électrolyseurs, car cela pourrait améliorer l'efficacité énergétique des appareils. Plus particulièrement, l'équipe a pu rendre l'ionomère utilisé bifonctionnel, afin qu'il soit ioniquement conducteur et active le CO2, interférer avec la réaction nécessaire pour le réduire en éthylène.
Les chercheurs ont évalué leur électrolyte en l'intégrant dans un électrolyseur fonctionnant au CO2 et de l'eau pure. Lors de ces tests, ils ont découvert que leur électrolyte polymère augmentait la sélectivité de l'éthylène à 50 %, même en l'absence d'un environnement fortement alcalin.
"L'électrolyseur fonctionnant au CO2 et l'eau pure présente une densité de courant totale de 1 000 mA cm −2 à des tensions de cellule aussi basses que 3,73 V. À 3,54 V", ont écrit Li et ses collègues dans leur article. "L'éthylène est produit avec une densité de courant partiel à l'échelle industrielle de 420 mA cm −2 sans aucune consommation d'électrolyte."
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs ouvrent de nouvelles possibilités pour la conversion du CO2 en éthylène à l'échelle industrielle. À l'avenir, il pourrait inspirer des approches similaires pour synthétiser des hydrocarbures ou d'autres gaz industriels à partir de CO2 à l'aide d'électrolytes polymères alcalins.
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