バイポーラ膜電解槽により高単量体が可能 | 保定市 ICCP チタン陽極グループ

Nature Communications volume 13、記事番号: 3609 (2022) この記事を引用

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11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

アルカリ性および中性の MEA CO2 電解槽では、CO2 は急速に (重) 炭酸塩に変換され、アノードガス出口から CO2 を分離することから生じる重大なエネルギー損失が生じます。ここでは、CO2 電解装置がバイポーラ膜 (BPM) を使用して (重) 炭酸塩を CO2 に戻し、クロスオーバーを防止していることを報告します。これは、以前の中性媒体電解槽が被っていたシングルパス利用率 (SPU) の限界 (マルチカーボン製品、C2+ の場合は 25%) を超えています。当社では、BPM と陰極の間に緩衝剤のない固定陰極液層を採用し、C2+ 生成を促進しながら、陰極近くで (重) 炭酸塩がその場で CO2 に確実に変換されるようにします。私たちは、陰極液層の設計を可能にするモデルを開発し、戻された CO2 の拡散経路長を約 10 μm に制限することで CO2 拡散束と再生速度のバランスがとれることを発見しました。我々は、シングルパス CO2 利用率 78% を報告しています。これにより、下流での CO2 分離に関連するエネルギーが過去のシステムと比較して 10 分の 1 に削減されます。

C2+ 生産の CO2RR には、高い生産率と高いエネルギー効率を同時に達成する必要があります 1,2。フローセル (表 1 の A) および膜電極接合体 (MEA、表 1 の B) の電流密度は、工業的に適切なレベル (エチレン部分電流密度 > 100 mA cm-2) に達しています。しかし、低いシングルパス CO2 利用率 (SPU: 総投入 CO2 に換算された CO2 の割合) に伴うエネルギーペナルティは、まだ実用的なレベル (SPU > 40%) まで低減されていません。一般的な CO2RR 電解槽では炭酸塩の生成とクロスオーバーにより、C2+ の SPU が 25% 以下に制限され (詳細は SI1)、生産にはアルカリ性媒体で 280 ～ 480 GJ、中性媒体で 80 ～ 130 GJ のエネルギーペナルティが課せられます。エチレン1トンあたり5,6。

中性媒体電解槽 (SI1) における CO2 と炭酸塩のマスバランスの分析により、高い SPU を達成するには、(重) 炭酸塩が膜を通過してアノードに到達しないことが必要であり、カソードで生成された (重) 炭酸塩は CO2 に戻らなければならないことがわかります。カソードに戻ることで CO2RR に参加できる状態が維持されます。

双極性膜 (BPM) は、CO2 クロスオーバーをブロックし、(重) 炭酸塩を CO2 に戻すために使用されてきました 27,8,9。 CO2RR 電解槽では、市販の BPM が CO2 損失を抑制します 10 が、酸性陽イオン交換層 (CEL) が陰極の CO2RR 選択性を低下させます 10。

カソードの酸性化に対処するには、CEL とカソードの間に緩衝陰極液 (KHCO3 など) を使用することができます9、11、12。このアプローチ (図 1a) では、CEL 表面の pH が約 3 になり、陰極の局所 pH > 12 が維持されます。しかし、緩衝陰極液では、（重）炭酸塩はCELの表面近くでCO2に戻り（図1aの黒い実線）、戻されたCO2の物質移動が遅くなり、CO2RRの反応物質の利用可能性が減少します。これにより、C2+ 電気生産 (SI3 および SI5) における以前の BPM ベースの電解槽で報告されている最高の SPU は約 15% になります。陰極液が流れている場合、SPU はさらに低くなり、以前の報告によれば約 6% になります。これは、陰極液が流れることで逆戻りした CO211 が除去されるためです。その結果、従来の BPM ベースの電解槽 (表 1) は、C2+ 電気生産 (SI3) の SPU 制限 25% を超えませんでした。

a 厚さ 65 μm の SC 層内の CO2 (実線) と pH の分布 (破線)。 (重)炭酸塩が CO2 に戻る位置はマークされています (非緩衝電解質の場合は赤、緩衝電解質の場合は黒)。 b SC-BPMEA におけるスキームと物質移動。 c SC 層内の pH 分布。 d SC 層内の溶存 CO2 濃度プロファイル。破線で示された仮想境界は、CO2 濃度がバルク濃度より 1% 低くなる位置として定義されます。上にマークされた数字は、仮想境界とカソード表面の間の距離です。

70% for the thicker layers, see Supplementary Fig. 13a and SI7). A longer ion migration path and higher ohmic resistance partially explain the 0.67 V cell voltage increase as the stationary catholyte thickness increases from 65 to 125 μm. Based on the independently measured ohmic resistance (Supplementary Fig. 13a), increasing the SC-layer thickness from 65 to 125 μm imposes an ohmic voltage increase of merely 0.07 V at 200 mA cm−2. Similarly, compared to 65 μm, the 250 μm SC-layer increases the ohmic voltage loss by 0.24 V at 200 mA cm−2, while the cell voltage increases by 1.3 V./p>125 μm), CO2 bubbles are more prone to form near the CEL. These bubbles obstruct ion migration, increasing the ohmic resistance of the SC-BPMEA. Electrochemical impedance spectroscopy measurements (Supplementary Fig. 13d, e) also support this finding. An applied current of 200 mA cm−2 resulted in an insignificant change to the high-frequency resistance (HFR) of the SC-BPMEA with a 65 μm-thick SC-layer; while, in contrast, the HFR of the SC-BPMEA with a 125 μm-thick SC-layer increased by 120% after applying 200 mA cm−2 for 20 min, leading to a cell voltage 0.6 V higher than for the 65 μm SC-layer./p> 50-h stability operating at 200 mA cm−2 with limited CO2 availability (CO2 input flow rate of 1.42 sccm cm−2). This operating stability is competitive with that of the neutral-electrolyte-based CO2-to-C2+ electrolyzers23,24./p>

35% decreases ethylene FE by more than 4% when using the SC-BPMEA, and thus the increased input electricity cost exceeds the savings in the cathodic separation (Table 3 and Supplementary Table 2). Therefore, 35% SPU is the most favourable condition for the present SC-BPMEA./p> 1000 s before recording the results. All the error bars represent standard deviations based on three measurements./p>