Новый полимерный состав повышает эффективность преобразования CO2 в этилен

Электролизер диоксида углерода лабораторного масштаба (слева) и его схематическое представление (в центре). Эта технология может использоваться для преобразования диоксида углерода в ценные продукты, такие как топливо и пластмассы (справа). Автор: Chem Catalysis (2025). DOI: 10.1016/j.checat.2025.101497

Сохранение энергетической независимости США требует минимизации зависимости от иностранных государств в производстве товарных химикатов и топлива. Использование электролизеров диоксида углерода для производства ценных химических предшественников, таких как этилен, предоставляет один из способов диверсификации отечественного сырья. Однако до сих пор эти устройства ограничивались их низкой эффективностью, что делало их энергоемкими и дорогостоящими.

В новом исследовании, опубликованном в Chem Catalysis, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) разработали новый полимерный состав, называемый иономером, который контролирует движение газа и воды в электрохимических устройствах. Тщательно балансируя и направляя химию устройства, иономер повышает энергоэффективность процесса преобразования.

«Добавление правильного иономера снизило общее напряжение, необходимое для работы устройства», — сказал ученый LLNL и автор исследования Адитья Праджапати. «Это означает, что устройству требуется меньше электроэнергии для производства того же количества продукта».

Иономер представляет собой небольшую, но критически важную часть электрохимического устройства.

«Наше устройство размером примерно с сэндвич, с несколькими тонкими слоями, сложенными вместе. Газ диоксида углерода поступает с одной стороны, а электричество приводит в действие реакцию внутри», — пояснил постдокторант LLNL и автор исследования Николас Кросс.

Внутри устройства диоксид углерода встречает слой медного катализатора, который запускает реакцию превращения его в этилен — строительный блок для пластмасс. Иономер был нанесен в качестве покрытия на этот медный слой.

«Можно представить иономер как диспетчера движения для молекул: он контролирует химию поверхности катализатора и обеспечивает поступление нужного количества воды и диоксида углерода к катализатору», — сказал ученый LLNL и автор исследования Максвелл Голдман. «Без него слишком много воды может затопить устройство, или слишком мало может «заморить» реакцию голодом».

Иономер поддерживает сбалансированность реакции, что сокращает энергию, необходимую для производства ценных продуктов, таких как этилен.

Для создания этого важного «диспетчера движения» команда тщательно присоединила химические вещества к стабильной полимерной основе. Они испытали устройство с иономером и без него и исследовали ряд иономеров с разным водопоглощением.

«Мы обнаружили, что количество воды, которое удерживает иономер — «содержание воды» — является мощным рычагом, контролирующим объем производимого этилена», — сказал ученый LLNL и автор исследования Крис Хан. «Слишком мало иономера — устройство затапливается; слишком много — энергия тратится впустую. Нахождение правильного баланса позволило нам запустить устройство с высокой производительностью и низким напряжением».

Исследователи подчеркнули, что улучшенная производительность устройства и глубокое понимание иономера стали возможными благодаря сочетанию химии полимеров, экспериментов и многомасштабного моделирования. Они надеются, что эта работа будет направлять разработку полимеров следующего поколения для электрохимических устройств.

Больше информации: Maxwell Goldman et al, Designing ionomers to control water content for low-voltage ethylene production from CO2 electrolysis, Chem Catalysis (2025). DOI: 10.1016/j.checat.2025.101497

Источник: Lawrence Livermore National Laboratory