양극성 막 전해조는 높은 단일성을 가능하게 합니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3609(2022) 이 기사 인용

12,000회 액세스

38 인용

11 알트메트릭

측정항목 세부정보

알칼리성 및 중성 MEA CO2 전해조에서 CO2는 빠르게 (중)탄산염으로 변환되어 양극 가스 배출구에서 CO2를 분리함으로써 발생하는 상당한 에너지 손실을 초래합니다. 여기서 우리는 CO2 전해조가 양극성 막(BPM)을 사용하여 (중)탄산염을 CO2로 다시 변환하여 교차를 방지한다고 보고합니다. 이는 이전 중성 매체 전해조에서 겪었던 단일 통과 활용도(SPU) 한계(다중 탄소 제품의 경우 25%, C2+)를 능가합니다. 우리는 BPM과 음극 사이에 고정된 완충되지 않은 음극액 층을 사용하여 C2+ 제품을 촉진하는 동시에 (중)탄산염이 음극 근처에서 현장에서 CO2로 다시 변환되도록 보장합니다. 우리는 환원된 CO2의 확산 경로 길이를 ~10μm로 제한하는 것이 CO2 확산 유속과 재생 속도의 균형을 맞추는 것을 발견하여 음극액 층의 설계를 가능하게 하는 모델을 개발했습니다. 우리는 78%의 단일 통과 CO2 활용률을 보고하며, 이는 과거 시스템에 비해 CO2의 하류 분리와 관련된 에너지를 10배 낮춥니다.

C2+ 생산을 위한 CO2RR에는 높은 생산 속도와 높은 에너지 효율성이 동시에 달성되어야 합니다1,2. 플로우 셀(표 1의 A)과 막-전극 어셈블리(MEA, 표 1의 B)의 전류 밀도는 산업적으로 관련된 수준에 도달했습니다(에틸렌 부분 전류 밀도 > 100mA cm−2)3. 그러나 낮은 단일 통과 CO2 활용도(SPU: 총 입력 CO2로 변환된 CO2의 비율)와 관련된 에너지 패널티는 아직 실제 수준(SPU > 40%)4으로 감소되지 않았습니다. 일반적인 CO2RR 전해조의 탄산염 형성 및 교차는 C2+에 대해 SPU를 25% 이하로 제한합니다(세부 사항은 SI1 참조). 생산을 위해 알칼리 매질에서는 280~480GJ, 중성 매질에서는 80~130GJ의 에너지 패널티를 부과합니다. 에틸렌 1톤당5,6.

중성 매체 전해조(SI1)의 CO2 및 탄산염 질량 균형 분석에 따르면 높은 SPU를 달성하려면 (중)탄산염이 막을 통과하여 양극으로 이동하지 않아야 하며 음극에서 형성된 (중)탄산염이 CO2로 되돌아가야 하고 음극으로 돌아가서 CO2RR에 계속 참여할 수 있습니다.

양극성 막(BPM)은 CO2 교차를 차단하고 (중)탄산염을 다시 CO27,8,9로 변환하는 데 사용되었습니다. CO2RR 전해조에서 상업용 BPM은 CO2 손실을 억제하지만10 산성 양이온 교환층(CEL)은 음극의 CO2RR 선택성을 저하시킵니다10.

음극 산성화를 해결하기 위해 CEL과 음극 사이에 완충 음극액(예: KHCO3)을 사용할 수 있습니다9,11,12; 이 접근법(그림 1a)은 CEL 표면의 pH를 ~3으로 제공하고 음극 국소 pH를 >12로 유지합니다. 그러나 완충 음극액에서 (중)탄산염은 CEL 표면 근처에서 CO2로 되돌아가며(그림 1a의 검은색 실선), 되돌아간 CO2의 물질 전달을 늦추고 CO2RR에 대한 반응물 가용성을 감소시킵니다. 이로 인해 C2+ 전기 생산(SI3 및 SI5)의 이전 BPM 기반 전해조에서 최대 15%의 SPU가 보고되었습니다. 음극액이 흐르고 있을 때 SPU는 이전 보고서에 따르면 ~6%로 훨씬 더 낮습니다. 왜냐하면 흐르는 음극액이 복귀된 CO211을 제거하기 때문입니다. 결과적으로 이전 BPM 기반 전해조(표 1)는 C2+ 전기 생산(SI3)에 대한 25% SPU 제한을 초과하지 않았습니다.

a 65μm 두께의 SC 층의 CO2(실선) 및 pH 분포(점선). (중)탄산염이 CO2로 되돌아가는 위치가 표시됩니다(비완충은 빨간색, 전해질 완충은 검은색). b SC-BPMEA의 계획 및 대량 이전. c SC 층 내부의 pH 분포. d SC 층 내부의 용존 CO2 농도 프로파일. 점선으로 표시된 가상 경계는 CO2 농도가 벌크 농도보다 1% 낮아지는 위치로 정의됩니다. 위에 표시된 숫자는 가상 경계와 음극 표면 사이의 거리입니다.

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>