Южнокорейские ученые создали рекордно эффективный электрод для переработки CO2 из выхлопов

Сеул, 21 янв - Южнокорейские исследователи разработали новый газодиффузионный электрод (ГДЭ), который с рекордной эффективностью извлекает углекислый газ из промышленных выхлопов и превращает его в ценное химическое сырье.
Результаты работы ученых Korea Institute of Energy Technology (KENTECH) и Pusan National University опубликованы в журнале ACS Energy Letters. Интегрированное улавливание и преобразование CO₂ низкой концентрации является критически важным шагом на пути к углеродной нейтральности.

Ученые создали газодиффузионный электрод (ГДЭ), модифицированный насыщенным кислородом и азотом пористым графитовым углеродом (ПГУ), который обеспечивает эффективное электровосстановление CO₂ низкой концентрации.

Газодиффузионный электрод — это пористый электрод, в котором одновременно присутствуют твёрдая, жидкая и газообразная фазы. ГДЭ способен обеспечивать электрохимическую реакцию между газом и жидкостью на границе раздела фаз при участии электропроводящего катализатора.

Пористый графитированный углерод (ПГУ) — проводящий кристаллический материал с развитой пористой структурой. Его основу составляют переплетённые графитовые ленты из sp²‑гибридизованных атомов углерода в гексагональной упаковке. Листы связаны ковалентными связями внутри слоя и Ван‑дер‑Ваальсовыми взаимодействиями между слоями. По структуре ПГУ близок к «двумерному графиту»: его слои не ориентированы регулярно, как в трёхмерном графите.

Новый трехслойный ГДЭ способен активно поглощать CO₂ из окружающей среды, расщеплять его молекулы и запускать реакции с водой. Структура электрода включает пористый азотсодержащий углеродный слой для захвата газа, углеродную бумагу для транспортировки и слой оксида олова для расщепления.

При концентрации CO₂ 15% (без O₂ ) ГДЭ, модифицированный ПГУ, достиг скорости преобразования CO₂ в муравьиную кислоту 250 мкмоль/ч·см₂, что в 2,5 раза выше, чем у немодифицированного ГДЭ, с фарадеевской эффективностью (ФЭ) 98%.

Фарадеевская эффективность — это показатель, характеризующий, насколько эффективно заряд (электроны) переносится в электрохимической системе и участвует в целевой реакции. Выражается в процентах и показывает долю пропущенного заряда, которая пошла на образование нужного продукта.

В дымовых газах, содержащих 8% O₂, модифицированный ГДЭ достиг производства муравьиной кислоты 22 мкмоль / ч·см₂ ( 8% ФЭ) при −1,4 В относительного водородного электрода (RHE).

RHE — обратимый водородный электрод, подтип водородных электродов, используемый как электрод сравнения в электрохимических измерениях.

Исследования показали, что кислородсодержащие функциональные группы в ПГУ усиливают адсорбцию CO₂, подавляя при этом проникновение O₂, что обеспечивает высокую устойчивость к кислороду. Модифицированный ГДЭ сохраняет активность при концентрации CO₂ всего 1% и 400 ppm, что указывает на потенциальную применимость в интегрированных системах улавливания и преобразования, использующих потоки CO₂ низкой концентрации из дымовых газов и окружающего воздуха. Ранее подобные каталитические системы страдали от низкого КПД из-за побочных реакций и необходимости предварительной концентрации углекислого газа.

Как пояснил профессор Корейского института энергетических технологий Ч. Вонен, такая интеграция значительно упрощает процедуру утилизации углекислого газа в условиях, приближенных к промышленным.

Ключевым достижением стала эффективность процесса, которую ученым удалось повысить на 40% по сравнению с существующими аналогами. Это делает технологию утилизации выхлопов экономически более целесообразной.

Разработка вносит вклад в глобальные усилия по созданию технологий улавливания и преобразования CO₂ в топливо или химическую продукцию. Такие решения критически важны для декарбонизации, поскольку даже нулевые выбросы в будущем могут быть недостаточны для достижения целей Парижского соглашения.

Муравьиная кислота, получаемая в процессе, является простейшей органической кислотой и востребованным сырьем. Она применяется в текстильной и кожевенной промышленности, в качестве консерванта, а также рассматривается как перспективный носитель водорода для энергетики. Прямое получение этого вещества из выхлопных газов может создать новую экономическую модель для углеродно-нейтральных производств.

Автор: А. Шевченко