Les électrolyseurs à membrane bipolaire permettent un taux unique élevé

Jan 25, 2024

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3609 (2022) Citer cet article

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Dans les électrolyseurs MEA CO2 alcalins et neutres, le CO2 se convertit rapidement en (bi)carbonate, imposant une pénalité énergétique importante résultant de la séparation du CO2 des sorties de gaz anodique. Nous rapportons ici qu'un électrolyseur de CO2 utilise une membrane bipolaire (BPM) pour reconvertir le (bi)carbonate en CO2, empêchant ainsi le croisement ; et cela dépasse la limite d'utilisation en un seul passage (SPU) (25 % pour les produits multi-carbones, C2+) subie par les précédents électrolyseurs à milieu neutre. Nous utilisons une couche de catholyte stationnaire non tamponnée entre le BPM et la cathode pour promouvoir les produits C2+ tout en garantissant que le (bi)carbonate est reconverti, in situ, en CO2 près de la cathode. Nous développons un modèle qui permet la conception de la couche de catholyte, constatant que limiter la longueur du trajet de diffusion du CO2 inversé à environ 10 μm équilibre le flux de diffusion du CO2 avec le taux de régénération. Nous rapportons une utilisation du CO2 en un seul passage de 78 %, ce qui réduit de 10 fois l'énergie associée à la séparation du CO2 en aval par rapport aux systèmes précédents.

Le CO2RR pour la production de C2+ nécessite l’obtention simultanée d’un taux de production élevé et d’une efficacité énergétique élevée1,2. Les densités de courant dans les Flow Cells (A dans le tableau 1) et les assemblages membrane-électrode (MEA, B dans le tableau 1) ont atteint des niveaux industriellement pertinents (densité de courant partielle d'éthylène > 100 mA cm−2)3 ; cependant, la pénalité énergétique associée à une faible utilisation du CO2 en un seul passage (SPU : la fraction du CO2 convertie en CO2 total entrant) n'a pas encore été réduite à des niveaux pratiques (SPU > 40 %)4. La formation de carbonate et le croisement dans les électrolyseurs CO2RR typiques limitent le SPU à ≤ 25 % pour C2+ (détails dans SI1), imposant des pénalités énergétiques de 280 à 480 GJ en milieu alcalin et de 80 à 130 GJ en milieu neutre, pour la production. de chaque tonne d'éthylène5,6.

L'analyse du bilan massique de CO2 et de carbonate dans les électrolyseurs à milieu neutre (SI1) indique que pour obtenir un SPU élevé, il faut que le (bi)carbonate ne traverse pas la membrane jusqu'à l'anode, et que le (bi)carbonate formé à la cathode doit revenir au CO2 et restent disponibles pour participer au CO2RR en retournant à la cathode.

Des membranes bipolaires (BPM) ont été utilisées pour bloquer le croisement du CO2 et reconvertir le (bi)carbonate en CO27,8,9. Dans les électrolyseurs CO2RR, les BPM commerciaux inhibent la perte de CO210, mais la couche échangeuse de cations (CEL) acide dégrade la sélectivité CO2RR de la cathode10.

Pour remédier à l'acidification de la cathode, on peut utiliser un catholyte tampon (par exemple, KHCO3) entre le CEL et la cathode9,11,12 ; cette approche (Fig. 1a) fournit un pH à la surface CEL d'environ 3 et maintient le pH local cathodique > 12. Cependant, dans un catholyte tampon, le (bi)carbonate revient au CO2 près de la surface du CEL (ligne noire continue sur la figure 1a), ralentissant le transfert de masse du CO2 inversé et réduisant la disponibilité des réactifs pour le CO2RR. Cela conduit aux meilleurs SPU rapportés d’environ 15 % dans les électrolyseurs antérieurs basés sur BPM dans l’électroproduction C2+ (SI3 et SI5). Lorsque le catholyte circule, le SPU est encore plus faible, ~ 6 % selon les rapports précédents, car le catholyte qui coule élimine le CO211 rejeté. En conséquence, les électrolyseurs antérieurs basés sur BPM (tableau 1) n’ont pas dépassé la limite de 25 % SPU pour l’électroproduction C2+ (SI3).

a Les distributions de CO2 (lignes pleines) et de pH (lignes pointillées) dans la couche SC de 65 µm d'épaisseur. Les positions où les (bi)carbonates retournent au CO2 sont marquées (rouge pour un électrolyte non tampon et noir pour un électrolyte tampon). b Les schémas et le transfert de masse dans le SC-BPMEA. c La distribution du pH à l'intérieur de la couche SC. d Le profil de concentration de CO2 dissous à l'intérieur de la couche SC. Les limites virtuelles marquées par des lignes pointillées sont définies comme la position où la concentration de CO2 devient inférieure de 1 % à la concentration globale. Les nombres marqués ci-dessus correspondent aux distances entre les limites virtuelles et la surface de la cathode.