Иодид-ионы способствуют эффективному производству этилена

Выбросы углекислого газа (CO₂) являются одним из основных факторов, способствующих загрязнению воздуха и изменению климата на Земле. Таким образом, в последние годы инженеры-энергетики пытаются разработать системы, которые могли бы снизить содержание CO₂ в воздухе.

Один многообещающий подход предполагает преобразование CO₂ в полезные химические вещества на основе углерода, такие как этилен, с помощью так называемого электрохимическая реакция восстановления CO₂ (CO₂RR). Этилен — бесцветный и легковоспламеняющийся газ, который широко используется для создания пластиковых предметов, упаковки и других нефтехимических продуктов.

Большинство ранее представленных систем для снижения CO₂ могут инициировать желаемую реакцию только в щелочной или нейтральной среде (т.е. в растворах со средним или высоким pH). К сожалению, CO₂ может реагировать с этими растворами, вызывая образование соединений (т.е. карбонаты или бикарбонаты), которые улавливают газ и снижают эффективность его преобразования в другие желаемые соединения.

В документ, опубликованный в Природная Энергия, Исследователи из Университета Сучжоу представляют новый подход, который может преодолеть это ограничение, позволяя преобразовывать CO₂ в этилен или другие химические вещества в кислой среде без образования карбонатов и бикарбонатов. Предложенная ими стратегия основана на добавлении небольших количеств иодид-ионов к электролитам (т.е. жидкостям, которые проводят электрический заряд и активно формируют химические реакции в системах CO₂RR).

«Поскольку глобальные выбросы парниковых газов продолжают расти, разработка масштабируемых технологий повышения ценности углекислого газа стала одновременно критической задачей и неотложным приоритетом», — сказал Phys.org Янгуан Ли, старший автор статьи.

«Среди различных стратегий электрохимическое восстановление углекислого газа Использование возобновляемых источников энергии стало особенно многообещающим подходом. Особый интерес представляет реализация этой реакции в кислых электролитах, поскольку она позволяет избежать образования (би)карбоната, которое часто ограничивает эффективность преобразования и срок службы устройства в нейтральных или щелочных средах».

До сих пор электрохимическое восстановление CO₂ в кислых растворах оставалось сложной задачей. В первую очередь это связано с тем, что в этих средах часто также образуется газообразный водород, который мешает реакции CO₂RR, ограничивая эффективность, с которой CO₂ превращается в нужные химические вещества.

«Наше исследование началось с счастливого открытия, сделанного в ходе систематического исследования влияния электролита на электрохимические характеристики», — сказал Ли.

«Изначально сосредоточившись на роли анионов, мы неожиданно обнаружили, что введение галогенид-ионов в электролит приводит к сильным взаимодействиям с медью (наиболее широко используемым катализатором для электрохимического восстановления углекислого газа), что приводит к существенному повышению производительности».

Использование иодид-ионов для изменения реакционной способности меди

Проводя свои более ранние исследования, Ли и его коллеги поняли, что добавление галогенид-ионов к электролитам, используемым в системах CO₂RR, значительно повышает эффективность снижения CO₂. Было обнаружено, что иодид-ионы оказывают наиболее благоприятное влияние на производительность систем.

«Иодид-ионы удвоили селективность по этилену и, что более важно, значительно снизили необходимое перенапряжение по сравнению с производительностью, зафиксированной в электролитах, не содержащих йодида», — объяснил Ли.

Опираясь на свои более ранние наблюдения, исследователи разработали новую стратегию, позволяющую повысить конверсию CO₂ в этилен. По сути, они предложили вводить иодид-ионы в электролиты, используемые в системах CO₂RR.

«Эти анионы спонтанно реагируют с медью из-за их сильного сродства, предсказанного теорией «мягкая-жесткая кислота-основание», что приводит к образованию стабильной поверхности меди, модифицированной йодидом», – сказал Ли.

«Эта модификация поверхности существенно меняет электрохимические свойства меди, направляя реакцию восстановления углекислого газа в сторону более энергетически выгодного асимметричного пути взаимодействия углерод-углерод, о чем свидетельствуют наши операндо-рамановские исследования».

Исследователи обнаружили, что их стратегия улучшила как активность системы, так и ее способность производить многоуглеродные продукты, такие как этилен, этанол и так далее.

Примечательно, что предложенный ими подход также можно легко объединить с существующими методами проектирования катализаторов, такими как легирование композитов и дефектоскопия, что может еще больше улучшить производительность систем в кислых средах.

«Например, используя медный катализатор Наше устройство, легированное небольшим количеством серебра и дополнительно оптимизирующее состав электролита, достигло парциальной плотности тока на уровне ампер для многоуглеродных продуктов, что является самым высоким значением, зарегистрированным на сегодняшний день в сопоставимых условиях», — сказал Ли.

Преодоление некоторых ограничений стратегий сокращения выбросов CO₂

Стратегия, разработанная Ли и его коллегами, позволяет преодолеть известные проблемы, возникающие при попытке снизить содержание CO₂ в кислых растворах, просто за счет добавления йодидов в электролиты. В будущем другие команды смогут адаптировать эту стратегию и продолжить изучение ее потенциала.

В конечном итоге усилия команды могут способствовать надежному развертыванию систем снижения выбросов CO₂ на промышленных площадках или в других реальных условиях. Хотя первоначальные результаты команды были многообещающими, в настоящее время их подход работает только в том случае, если йодиды постоянно присутствуют в электролитах.

«После удаления йодида производительность снижается в течение нескольких часов», — добавил Ли.

«Поэтому теперь мы планируем изучить возможность закрепления йодида непосредственно на поверхности электрода, а не добавления его в электролит. Используя этот подход, небольшое количество йодида может обеспечить повышение производительности, сравнимое с тем, которое достигается за счет добавления электролита. В последнее время мы добились некоторого прогресса в этом направлении и с нетерпением ждем возможности поделиться этими результатами с читателями в будущем».

© 2025 Сеть Science X