Os eletrolisadores de membrana bipolar permitem alta

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3609 (2022) Citar este artigo

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Em eletrolisadores de CO2 MEA alcalinos e neutros, o CO2 se converte rapidamente em (bi)carbonato, impondo uma penalidade energética significativa decorrente da separação do CO2 das saídas de gás anódico. Aqui relatamos que um eletrolisador de CO2 usa uma membrana bipolar (BPM) para converter (bi)carbonato de volta em CO2, evitando cruzamento; e isso ultrapassa o limite de utilização de passagem única (SPU) (25% para produtos multicarbono, C2+) sofrido pelos eletrolisadores de meio neutro anteriores. Empregamos uma camada de católito estacionária não tamponada entre o BPM e o cátodo para promover produtos C2+, garantindo ao mesmo tempo que o (bi)carbonato seja convertido de volta, in situ, em CO2 próximo ao cátodo. Desenvolvemos um modelo que permite o projeto da camada católita, descobrindo que limitar o comprimento do caminho de difusão do CO revertido a ~ 10 μm equilibra o fluxo de difusão de CO com a taxa de regeneração. Relatamos uma utilização de CO2 de passagem única de 78%, o que reduz a energia associada à separação de CO2 a jusante em 10x em comparação com sistemas anteriores.

O CO2RR para produção de C2+ requer a obtenção simultânea de alta taxa de produção e alta eficiência energética1,2. As densidades de corrente nas células de fluxo (A na Tabela 1) e nos conjuntos membrana-eletrodo (MEAs, B na Tabela 1) atingiram níveis industrialmente relevantes (densidade de corrente parcial de etileno > 100 mA cm-2)3; no entanto, a penalidade energética associada à baixa utilização de CO2 de passagem única (SPU: a fração do CO2 convertida no CO2 total de entrada) ainda não foi reduzida a níveis práticos (SPU > 40%)4. A formação de carbonato e o cruzamento em eletrolisadores CO2RR típicos limitam o SPU a ≤25% para C2+ (detalhes em SI1), impondo penalidades de energia de 280–480 GJ em meio alcalino e de 80–130 GJ em meio neutro, para a produção de cada tonelada de eteno5,6.

A análise do balanço de massa de CO2 e carbonato em eletrolisadores de meio neutro (SI1) indica que alcançar um SPU alto requer que o (bi)carbonato não atravesse a membrana até o ânodo, e que o (bi)carbonato formado no cátodo deva reverter para CO2 e permanecem disponíveis para participar do CO2RR retornando ao cátodo.

Membranas bipolares (BPMs) têm sido usadas para bloquear o cruzamento de CO2 e converter (bi)carbonato de volta em CO27,8,9. Em eletrolisadores de CO2RR, os BPMs comerciais inibem a perda de CO2, mas a camada ácida de troca catiônica (CEL) degrada a seletividade de CO2RR do cátodo.

Para tratar a acidificação do cátodo, pode-se usar um católito tampão (por exemplo, KHCO3) entre o CEL e o cátodo9,11,12; esta abordagem (Fig. 1a) fornece um pH na superfície do CEL de ~ 3 e mantém o pH local catódico> 12. No entanto, em um católito tampão, o (bi) carbonato reverte para CO2 próximo à superfície do CEL (linha preta sólida na Fig. 1a), retardando a transferência de massa do CO2 revertido e reduzindo a disponibilidade de reagentes para CO2RR. Isso leva aos melhores SPUs relatados de aproximadamente 15% em eletrolisadores anteriores baseados em BPM na eletroprodução C2+ (SI3 e SI5). Quando o católito está fluindo, o SPU é ainda menor, ~6% de acordo com relatórios anteriores, porque o fluxo do católito remove o CO211 revertido. Como resultado, os eletrolisadores anteriores baseados em BPM (Tabela 1) não excederam a limitação de 25% de SPU para eletroprodução C2 + (SI3).

a As distribuições de CO2 (linhas sólidas) e pH (linhas tracejadas) na camada SC de 65 μm de espessura. As posições onde os (bi)carbonatos revertem para CO2 estão marcadas (vermelho para não-tamponamento e preto para eletrólito tampão). b Os esquemas e a transferência de massa no SC-BPMEA. c A distribuição do pH dentro da camada SC. d O perfil de concentração de CO2 dissolvido dentro da camada SC. Os limites virtuais marcados por linhas tracejadas são definidos como a posição onde a concentração de CO2 se torna 1% menor que a concentração aparente. Os números marcados acima são as distâncias entre os limites virtuais e a superfície do cátodo.