Ett forskarteam vid Rice University har upptäckt en förvånansvärt enkel metod för att avsevärt förbättra stabiliteten hos elektrokemiska enheter som omvandlar koldioxid till användbara bränslen och kemikalier, och det handlar om inget mer än att leda CO2 genom en syrabubbler.
Deras studie, som publicerats i Science, tar upp ett stort hinder för prestanda och stabilitet hos CO2-reduktionssystem: ansamling av salt som täpper till gasflödeskanaler, minskar effektiviteten och orsakar att enheterna slutar fungera i förtid.
Med hjälp av en teknik som de kallar syrafuktad CO2 förlängde forskarna livslängden för ett CO2-reduktionssystem mer än 50 gånger och visade på mer än 4 500 timmars stabil drift i en uppskalad reaktor – en milstolpe inom området.
Elektrokemisk CO2-reduktion, eller CO2RR, är en ny grön teknik som använder elektricitet, helst från förnybara källor, för att omvandla klimatpåverkande CO2 till värdefulla produkter som koloxid, eten eller alkoholer.
Dessa produkter kan vidareförädlas till bränslen eller användas i industriella processer, vilket potentiellt kan omvandla en viktig förorening till en råvara.
Den praktiska implementeringen har dock hindrats av dålig systemstabilitet. Ett återkommande problem är ansamlingen av kaliumbikarbonatsalter i gasflödeskanalerna, vilket uppstår när kaliumjoner migrerar från anolyt genom anjonbytarmembranet till katodreaktionszonen och kombineras med CO2 under höga pH-förhållanden.
”Saltutfällning blockerar transporten av CO2 och översvämmar gasdiffusionselektroden, vilket leder till funktionsfel”, säger Haotian Wang, korresponderande författare till studien och docent i kemisk och biomolekylär teknik, materialvetenskap och nanoingenjörsvetenskap samt kemi vid Rice.
”Detta inträffar vanligtvis inom några hundra timmar, vilket är långt ifrån kommersiellt gångbart.”
För att motverka detta prövade Rice-teamet en elegant variant på en standardprocedur. Istället för att använda vatten för att fukta CO2-gasen som tillförs reaktorn, bubblade de gasen genom en syralösning, till exempel saltsyra, myrsyra eller ättiksyra.
Ångan från syran förs in i katodreaktionskammaren i spårmängder, precis tillräckligt för att förändra den lokala kemin. Eftersom de salter som bildas med dessa syror är mycket mer lösliga än kaliumbikarbonat, kristalliserar de inte och blockerar inte kanalerna.
Effekten var dramatisk. I tester med en silverkatalysator – ett vanligt riktmärke för omvandling av CO2 till kolmonoxid – fungerade systemet stabilt i över 2 000 timmar i en laboratorieanläggning och i mer än 4 500 timmar i en uppskalad elektrolysör på 100 kvadratcentimeter.
Däremot havererade system som använde standard CO2 fuktad med vatten efter cirka 80 timmar på grund av saltansamling.
Viktigt är att den syrafuktade metoden visade sig vara effektiv för flera olika katalysatortyper, inklusive zinkoxid, kopparoxid och vismutoxid, som alla används för att få fram olika CO2RR-produkter. Forskarna visade också att metoden kunde skalas upp utan att prestandan försämrades i storskaliga anordningar, som bibehöll energieffektiviteten och undvek saltblockering under långa perioder.
De observerade minimal korrosion eller skada på anjonbytarmembranen, som vanligtvis är känsliga för klorid, genom att hålla syrakoncentrationerna låga. Metoden visade sig också vara kompatibel med vanligt förekommande membran och material, vilket stärker dess potential för integration i befintliga system.
För att observera saltbildning i realtid använde teamet specialbyggda reaktorer med transparenta flödesplattor. Vid konventionell vattenfuktning började saltkristaller bildas inom 48 timmar. Med syrafuktad CO2 observerades dock ingen signifikant kristallackumulering ens efter hundratals timmar, och eventuella små avlagringar löstes så småningom upp och transporterades ut ur systemet.
”Att använda den traditionella metoden med vattenfuktad CO2 kan leda till saltbildning i katodgasflödeskanalerna”, säger medförfattaren Shaoyun Hao, postdoktorand i kemisk och biomolekylär teknik vid Rice.
”Vi ställde upp hypotesen – och bekräftade den – att syraånga kan lösa upp saltet och omvandla KHCO3 med låg löslighet till salt med högre löslighet, vilket förskjuter löslighetsbalansen precis tillräckligt för att undvika igensättning utan att påverka katalysatorns prestanda.”
Arbetet öppnar dörren för mer hållbara, skalbara CO2-elektrolysörer, vilket är ett kritiskt behov om tekniken ska kunna användas i industriell skala som en del av strategier för koldioxidavskiljning och -användning.
Enkelheten i metoden, som endast innebär små justeringar av befintliga befuktningssystem, innebär att den kan införas utan större omkonstruktioner eller extra kostnader.
”Detta är en viktig upptäckt för CO2-elektrolys”, säger Ahmad Elgazzar, medförfattare och doktorand i kemisk och biomolekylär teknik vid Rice University.
”Vår metod löser ett långvarigt problem med en kostnadseffektiv och lätt implementerbar lösning. Det är ett steg mot att göra koldioxidanvändningsteknik mer kommersiellt gångbar och hållbar.”
Mer information: Shaoyun Hao et al, Acid-humidified CO2 gas input for stable electrochemical CO2 reduction reaction, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adr3834. www.science.org/doi/10.1126/science.adr3834
