Неудержимый катализатор превосходит серу и производит революцию в улавливании углерода

Электрохимический катализатор для преобразования углекислого газа в ценные продукты может бороться с примесями, отравляющими существующие версии.

Новый катализатор ускоряет преобразование улавливаемого углерода в коммерческие продукты, сохраняя высокую эффективность, несмотря на примеси оксида серы. Это нововведение может значительно снизить затраты и потребности в энергии в технологиях улавливания углерода, что повлияет на тяжелую промышленность.

Исследователи из инженерного факультета Университета Торонто успешно создали новый катализатор, который эффективно превращает уловленный углерод в ценные продукты — даже в присутствии загрязняющего вещества, которое ухудшает производительность существующих версий.

Это открытие является важным шагом на пути к более экономически выгодным технологиям улавливания и хранения углерода, которые можно добавить к существующим промышленным процессам.

Разработки в области технологий конверсии углерода

говорит профессор Дэвид Синтон (MIE), ведущий автор статьи, опубликованной в журнале. Энергия природы 4 июля, где описывается новый катализатор.

«Но есть и другие отрасли экономики, декарбонизацию которых будет сложно осуществить: например, производство стали и цемента. Чтобы помочь этим отраслям, нам необходимо разработать экономически эффективные способы улавливания и увеличения выбросов углерода в потоках отходов».

Студенты-докторанты технических наук Университета Торонто Рой Кай (Рэй) Мяо (слева) и Панос Папангелакис (справа) держат в руках новый катализатор, который они разработали для преобразования улавливаемого углекислого газа в ценные продукты. Их модель хорошо работает даже в присутствии диоксида серы — загрязнителя, отравляющего другие катализаторы. Изображение предоставлено: Тайлер Ирвинг/Инжиниринговый университет Торонто.

Использование электролизера при конверсии углерода

Синтон и его команда используют устройства, известные как электролизеры, для преобразования углекислого газа и электричества в такие продукты, как этилен и этанол. Эти молекулы на основе углерода можно продавать в качестве топлива или использовать в качестве химического сырья для изготовления предметов повседневного обихода, таких как пластик.

Внутри электролизера происходит реакция конверсии, когда три элемента — углекислый газ, электроны и жидкий электролит на водной основе — объединяются на поверхности твердого катализатора.

Катализатор часто изготавливается из меди, но может также содержать другие металлы или органические соединения, которые могут еще больше улучшить систему. Его функция заключается в ускорении реакции и уменьшении образования нежелательных побочных продуктов, таких как газообразный водород, что снижает общую эффективность процесса.

Решение проблем эффективности катализаторов

Хотя многим исследовательским группам по всему миру удалось создать высокоэффективные катализаторы, почти все они предназначены для работы с чистым диоксидом углерода. Но если рассматриваемый углерод поступает из дымовых труб, то углерод, полученный в результате этого процесса, скорее всего, будет далеко не чистым.

«Разработчики катализаторов обычно не любят иметь дело с примесями, и на это есть веские причины», — говорит Панос Папангелакис, аспирант машиностроения и один из пяти соавторов новой статьи.

«Оксиды серы, такие как диоксид серы, отравляют катализатор, связываясь с поверхностью. Это оставляет меньше мест для реакции углекислого газа, а также создает нежелательные химические вещества».

«Это происходит очень быстро: хотя некоторые катализаторы могут работать сотни часов на чистом сырье, если вы введете эти примеси, их эффективность может упасть до 5% в течение нескольких минут».

Несмотря на то, что существуют хорошо зарекомендовавшие себя методы удаления примесей из выхлопных газов, богатых CO2, перед подачей их в электролизер, эти методы требуют много времени, энергоемких и дорогостоящих методов улавливания и повышения улавливания углерода. Более того, в случае с диоксидом серы даже его немного может стать большой проблемой.

«Даже если вы уменьшите содержание выхлопных газов до уровня менее 10 частей на миллион, или 0,001% сырья, катализатор все равно может отравиться менее чем за два часа», — говорит Папангелакис.

Инновации в конструкции катализаторов

В этой статье команда описывает, как они разработали более гибкий катализатор, способный противостоять диоксиду серы, внеся два ключевых изменения в типичный катализатор на основе меди.

С одной стороны они добавили тонкий слой политетрафторэтилена, также известного как тефлон. Этот антипригарный материал изменяет химический состав поверхности катализатора, подавляя реакции, которые приводят к отравлению диоксидом серы.

С другой стороны, они добавили слой нафиона, электропроводящего полимера, обычно используемого в топливных элементах. Этот сложный пористый материал содержит некоторые гидрофильные области, то есть притягивающие воду, а также другие гидрофобные области, то есть отталкивающие ее. Такая структура затрудняет попадание диоксида серы на поверхность катализатора.

Производительность в неблагоприятных условиях

Затем команда добавила в этот катализатор смесь диоксида углерода и диоксида серы, концентрация последнего составляла около 400 частей на миллион, что представляет собой типичный поток промышленных отходов. Даже в этих сложных условиях новый катализатор показал себя хорошо.

«В этом исследовании мы сообщили о фарадеевском КПД — показателе количества электронов, которые оказались в желаемых продуктах — на уровне 50 %, который мы смогли поддерживать в течение 150 часов», — говорит Папангелакис.

«Есть некоторые катализаторы, которые могут иметь более высокую эффективность, возможно, 75% или 80%. Но опять же, если вы подвергаетесь воздействию диоксида серы, в течение нескольких минут или максимум нескольких часов эта эффективность падает почти до нуля. Мы Я смог с этим бороться».

Будущие тенденции и последствия

Папангелакис говорит, что подход его команды не влияет на состав самого катализатора, поэтому его следует применять широко. Другими словами, команды, которые уже освоили высокопроизводительные катализаторы, должны иметь возможность использовать подобные покрытия, чтобы придать им устойчивость к отравлению оксидом серы.

Хотя оксиды серы являются наиболее опасной примесью в типичных потоках отходов, они не единственные примеси, поскольку затем команда переходит к полному спектру химических загрязнителей.

«Необходимо учитывать множество других примесей, таких как оксиды азота, кислород и т. д.», — говорит Папангелакис.

«Но тот факт, что этот подход очень хорошо работает с оксидами серы, является очень многообещающим. До этой работы считалось само собой разумеющимся, что перед очисткой диоксида углерода необходимо удалять примеси. Мы показали, что может быть другой способ. справиться с этим, что открывает массу новых возможностей».

Ссылка: «Улучшение толерантности к SO2 в электрокатализаторах восстановления CO2 с использованием конструкции гетероперехода полимер/катализатор/иономер», авторы: Панайотис Папангелакис, Руй Кай Мяо, Жуйху Лу, ​​Ханци Лю, Ши Ван, Аднан Озден, Шицзе Лю и Нин Сун, Колин Б. О. Брайен, Юнфэн Ху, Мохсен Шакури, Циньфэн Сяо, Мингша Ли, Бехруз Хатер, Цзяньань Эрик Хуан, Якун Ван, Ю-Селин Сяо, Фэн Ли, Али Шайсте Сарате, Цян Чжан, Пинъю Лю, Кевин Головин и Цзинь Вэй Хао, Хунцзянь Лян, Сиюнь Ван, Цзюнь Ли, Эдвард Х. Сарджент и Дэвид Синтон, 4 июля 2024 г. Энергия природы.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9