Überprüfung und Bewertung der jüngsten elektrochemischen Kohlendioxidreduktion mit ionischen Flüssigkeiten

Die zunehmende CO2-Emission als Hauptverursacher vieler Umweltprobleme könnte durch die elektrochemische CO2-Reduktion (CO2R) zu kohlenstoffbasierten Chemikalien mit Mehrwert angegangen werden. Aufgrund der einzigartigen Vorteile wurden ionische Flüssigkeiten (ILs) umfassend untersucht, um CO2R als Elektrolyte und Cokatalysatoren zu fördern.

Unter den potenziellen Produkten von CO2R sind diejenigen, die nur ein Kohlenstoffatom enthalten, sogenannte C1-Produkte, einschließlich CO, CH3OH, CH4 und Synthesegas, leichter herzustellen als andere. In den letzten zehn Jahren wurde über zahlreiche damit zusammenhängende experimentelle Studien und Übersichten berichtet, die die Entwicklung von CO2R-zu-C1-Produkten vorantreiben, und in diesen letzten Jahren wurden schnelle Fortschritte erzielt.

Nach unserem besten Wissen wurden jedoch keine Arbeiten durchgeführt, um die wirtschaftlichen Vorteile verschiedener C1-Produkte (CO, CH3OH, CH4, H2/CO(1:1) und H2/CO(2:1) zu diskutieren und systematisch zu vergleichen. ) mit Schwerpunkt auf IL-basierten Elektrolytsystemen sowie der Analyse von Umweltauswirkungen, um Leitlinien für die Realisierung der Kommerzialisierung der CO2R-Technologie in naher Zukunft zu geben.

Hier hat ein Team von Wissenschaftlern den Forschungsfortschritt bei den CO2R-to-C1-Produkten auf Basis der IL-basierten Elektrolyte zusammengefasst und aktualisiert und den wirtschaftlichen Nutzen und Umwelteinfluss für den Stand der Technik und potenzielle Zukunftstechnologien umfassend bewertet , bzw. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Industrielle Chemie & Materialien.

„Angesichts der schnellen Entwicklung von CO2R mit ILs-basiertem Elektrolyt im Labor ist es notwendig, einen klaren Einblick in ihren kommerziellen Wert zu haben, wenn es auf einen industriellen Maßstab skaliert wird“, sagte Xiaoyan Ji, Professor an der Luleå University of Technology .

„In dieser Übersicht haben wir die experimentellen Errungenschaften von CO2R-zu-C1-Produkten unter Verwendung von Elektrolyten auf IL-Basis zusammengefasst, ihre Leistung sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter ökologischen Aspekten basierend auf dem Stand der Technik und solchen mit in naher Zukunft verbesserter Leistung bewertet Zukunft und identifizierten ihr Kommerzialisierungspotenzial. Wir haben auch die Strategien vorgeschlagen, um die Leistung und den Gewinn für CO2R-to-C1-Produkte mit ILs als Elektrolyt in der Zukunft zu steigern.“

CO2R ist aufgrund seiner milden Bedingungen sowie seiner einfachen und flexiblen Steuerbarkeit eine der vielversprechendsten Methoden, um die Umwandlung von CO2 in wertschöpfende Chemikalien zu realisieren. Außerdem kann seine Antriebskraft in erneuerbare Quellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft integriert werden.

Es gibt drei Hauptparameter zur Bewertung der Leistung von CO2R, darunter Stromdichte, Faradaysche Effizienz (FE) und Zellspannung, die durch Design und Optimierung von Elektrokatalysatoren und Elektrolyten verbessert werden können.

ILs können mit ihren abstimmbaren Strukturen und Eigenschaften, breiten elektrochemischen Fenstern und hohen elektrischen Leitfähigkeiten ein niedriges Überpotential und eine hohe Stromdichte bereitstellen und die Produktselektivität für CO2R verbessern. Bemerkenswerterweise können ILs die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), die eine Konkurrenzreaktion von CO2R ist, wirksam hemmen.

„CO ist das einzige rentable Produkt unter den untersuchten C1-Produkten, während die Gesamtproduktionskosten (TPC) anderer Produkte zu hoch sind, um rentabel zu sein, insbesondere für CH4 und H2/CO (2:1),“ sagte Ji.

„Dieses Phänomen steht im Einklang mit der Leistung von CO2R für jedes Produkt. Die Stromdichte und FE von CO sind so hoch wie 182,2 mA cm-2 bzw. 99,7 %. Für CH4 und H2/CO (2:1) die Stromdichten sind so niedrig wie 25,6 bzw. 11,4 mA cm-2.Zusätzlich können mit der verbesserten Leistung von CO2R, CH3OH und H2/CO(1:1) in naher Zukunft profitabel sein, während es für CH4 schwierig ist und H2/CO(2:1) selbst im idealsten Szenario rentabel, zum Teil aufgrund des niedrigen Marktpreises, andererseits erfordert die Bildung von CH4 die Übertragung der größten Anzahl von Elektronen (8e–) unter den untersuchten C1-Produkten.“

„CO2R-zu-CH4 ist im Vergleich zu anderen der umweltfreundlichste Weg“, fügte Xiangping Zhang, Professor am Institut für Verfahrenstechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hinzu. „Unter Berücksichtigung sowohl wirtschaftlicher als auch ökologischer Aspekte ist CO das attraktivste Produkt. Für andere C1-Produkte ist eine weitere Verbesserung von CO2R oder die Entwicklung fortschrittlicherer Elektrolyseure erforderlich, um ihren kommerziellen Wert zu realisieren“, sagte Zhang.

Darüber hinaus sollten ILs im zukünftigen CO2R wie folgt weiter genutzt werden: (1) Die einstellbare Eigenschaft von ILs in der Struktur und den Eigenschaften bietet einzigartige Vorteile und Möglichkeiten für die Entwicklung effizienterer und geeigneterer Elektrolyte von CO2R; (2) die Fähigkeit von ILs, eine Vielzahl von Lösungsmitteln und Elektrolyten aufzulösen, kann andere Lösungsmittel und Elektrolyte integrieren, wodurch die Leistung von CO2R weiter verbessert wird; (3) die saubereren ILs können entwickelt und synthetisiert werden, indem sie in CO2R angewendet werden, um die Umweltbelastung zu mindern; (4) Außer als Elektrolyte können ILs auch der Co-Katalysator oder Modifikator für den Katalysator sein, der eine überlegene Leistung zeigt.

„In diesem Review ist es unser Hauptziel, den Lesern einen intuitiven Einblick in das kommerzielle Potenzial von CO2R-to-C1-Produkten mit ILs als Elektrolyt zu geben, basierend auf dem Stand der Technik und Zukunftsszenarien sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter ökologischen Aspekten “, sagte Ji.