פריצת דרך בהמרת CO2: התגלו שיטות חסכוניות

חוקרים מצאו ששימוש בנוזלים יוניים כאלקטרוליטים עם הידרוקסידים של מתכת משפר את ההמרה האלקטרוכימית של CO2 לפחמימנים.

המרה אלקטרוכימית של CO₂ לתוך דלק וכימיקלים, המופעלים על ידי חשמל, מציעה שיטה בר-קיימא להפחתת פליטות. טכניקה זו מאפשרת הפיכת פחמן שנלכד מתפוקות תעשייתיות ומהאטמוספירה למשאבים יקרי ערך המופקים באופן מסורתי מדלקים מאובנים.

כדי לקדם מחקר מתמשך על המרה אלקטרוכימית יעילה, מדענים מאוניברסיטת דושישה הציגו שיטה חסכונית להפקת פחמימנים יקרי ערך מ-CO₂. המחקר הפך לזמין באינטרנט ב-17 במאי 2024 ויפורסם רשמית בכתב העת אלקטרוכימיקה אקטה ב-20 ביולי 2024. צוות המחקר, בראשות פרופסור טאקויה גוטו וכולל גב' סאיה נוזאקי מבית הספר לתואר שני למדעים והנדסה וד"ר יוטה סוזוקי מהמכון לחקר המדע האריס, ייצר אתילן ופרופאן על כסף בסיסי (Ag) ) אלקטרודה על ידי שימוש בנוזל יוני המכיל הידרוקסידי מתכת כאלקטרוליט.

"רוב המחקרים על CO₂ אלקטרוליזה עם אלקטרוליט נוזלי בטמפרטורת החדר התמקדה בתכונות הקטליטיות של האלקטרודה. במחקר פורץ דרך זה התמקדנו באלקטרוליט והצלחנו לייצר גז פחמימני יקר גם על אלקטרודת מתכת פשוטה", אומר פרופ' גוטו.

נוזלים יוניים מציעים יתרונות ייחודיים להפחתה אלקטרוכימית של CO₂. הם פועלים על פני מגוון רחב של מתחים מבלי להתפרק, אינם דליקים ובעלי נקודות רתיחה גבוהות. יציבות זו מאפשרת לאלקטרוליט לעמוד בטמפרטורות הגבוהות הנוצרות במהלך CO אקסותרמית₂ צִמצוּם.

היתרונות של DEME-BF4 אלקטרוליט

במחקרם, חוקרים חקרו את ההמרה האלקטרוכימית של CO₂ ומים עם N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl) אמוניום טטרפלואורובוראט (DEME-BF₄) בתור האלקטרוליט. ה-DEME-BF₄ אלקטרוליט מספק תנאים אופטימליים למקסום CO₂ צִמצוּם. DEME⁺ יונים משפרים את מסיסותו של CO₂המאפשר מספר רב יותר של CO₂ מולקולות להשתתף בתגובה. יתרה מכך, בשל אופיו ההידרופילי, יוני המימן הדרושים להפחתת CO₂ לפחמימנים ניתן לספק בקלות על ידי ערבוב האלקטרוליט עם מים.

החוקרים קבעו שההמרה האלקטרוכימית של CO₂ ניתן להגדיל את הפחמימנים עם הוספת תמיסות מימיות המכילות הידרוקסיד מתכת כמו סידן הידרוקסיד (Ca(OH)₂), נתרן הידרוקסיד (NaOH), וצסיום הידרוקסיד (CsOH) לאלקטרוליט. הידרוקסידים בנוזל היוני יכולים להגיב עם CO₂ ליצירת ביקרבונטים (HCO₃^–) וקרבונטים (CO₃²⁻), מה שמשפר עוד יותר את הזמינות של CO₂ להשתתף בתגובות אלקטרוכימיות.

השגת יעילות המרה גבוהה

אלקטרוליזה בטמפרטורת החדר (298 K או 25 מעלות צלזיוס) ב-CO₂ האווירה, החוקרים הפחיתו בהצלחה את CO₂ לאתילן (C₂ח₄), אתאן (C₂ח₆), פרופילן (C₃ח₆), ופרופאן (C₃ח₈). הם השיגו את היעילות הנוכחית הגבוהה ביותר עבור כל מוצר באמצעות DEME-BF₄ אלקטרוליט מעורבב עם מים ומכיל Ca(OH)₂, עם יעילות שמגיעה עד 11.3% עבור פרופאן ו-6.49% עבור אתילן. יעילות זו עלתה על אלו שהתקבלו עם הידרוקסידים מתכתיים אחרים ביותר פי 1000.

הסיבה ליעילות גבוהה זו הוסברה באמצעות ספקטרוסקופיה של ראמאן וחישובי תיאוריית פונקציונליות הצפיפות (DFT). ניתוחים אלו גילו כי יוני ביקרבונט, נוצרו כאשר CO₂ אינטראקציה עם OH^– יונים באלקטרוליט, מתקשרים עם DEME⁺ ו-BF₄^– יונים של האלקטרוליט ליצירת מבנה יציב (DEME⁺-BF₄^–-HCO₃^–-Ca²⁺).

שיתוף₂ ו-HCO₃^– מִין לאחר מכן נספג על פני האלקטרודה ויוצרים מינים נספגים CO^– _מודעות. CO שנספג^– לאחר מכן יונים יוצרים אינטראקציה חזקה עם Ca²⁺ יונים הנמצאים באלקטרוליט ויוצרים שני מבני ביניים ברורים: מבנה אחד A, המורכב מ- Ca²⁺ יון מתואם עם שני CO^– יונים נספגים על שלושה אטומי Ag, והשני מבנה B, שבו Ca²⁺ יון מתואם עם שני CO^– יונים נספגים על שני אטומי Ag. אינטראקציה זו עם Ca²⁺ יונים חיוניים מכיוון שהם מגבירים את היציבות של המינים הנספגים, מה שמאפשר את התגובות האלקטרוכימיות הבאות.

בין המבנים הללו, החוקרים מציעים שמבנה B יציב יותר והוא המסלול המועדף לאתילן, בעוד שמבנה A מוביל לייצור פרופאן. "הראינו שהתאמת האלקטרוליט יכולה להוביל לשינויים ברמה המולקולרית בטרנספורמציה הפאזית של CO₂ בתמיסה בתפזורת ובממשק האלקטרודה/אלקטרוליט נוזלי יוני והציע תהליך המאפשר סינתזה של פחמימנים ייחודיים כמו C₃", אומר פרופ' גוטו.

ממצאים אלו שופכים אור על התהליכים הכרוכים בהמרה של CO₂ בממשק בין אלקטרוליטים על בסיס נוזל יוני ואלקטרודות מתכת, כגון תפקידם של יוני סידן. תובנות כאלה יכולות לסייע בפיתוח אלקטרוליטים לייצור יעיל של פחמימנים שימושיים מ-CO₂. "הידע הפיזיקלי-כימי של המסלול החדש הזה מ-CO₂ פירוק לסינתזה של פחמימנים שימושיים, כפי שנחשף במחקר זה, יהיה מכריע בקידום CO₂ ניצול טכנולוגיה ותרומה להתקדמות אקדמית במדעי החומרים." מסכם פרופ' גוטו.

המחקר מומן על ידי החברה היפנית לקידום המדע ומכון הברזל והפלדה של יפן.