Хіміки з США знайшли спосіб зменшити втрати вуглекислого газу в процесі електролітичного відновлення. Вони використовували протони мембрану, щоб карбонат-аніони не встигали переміщатися в анодний простір і змішуватися з киснем. У результаті конверсія вуглекислого газу зросла, пишуть вчені в.
Вуглекислий газ можна перетворювати на цінні органічні сполуки за допомогою електролізу. Хіміки вже знайшли електрокаталізатори, щоб селективно отримувати з нього чадний газ, етилен і навіть пропанол. У процесі електролітичного відновлення вуглекислий газ на катоді перетворюється на органічний продукт, а паралельно з ним утворюються два гідроксид-аніони. Одночасно на аноді молекули води окислюються до кисню, а на кожну окислену молекулу води виділяється два гідратовані протони. Так, в розчин біля анода переходить багато гідратованих іонів H +, і він стає більш кислим. Навпаки, в розчин біля анода переходять іони OH-, і середовище стає більш лужне.
Коли при електролізі вуглекислий газ потрапляє в лужне середовище біля аноду, він частково розчиняється і реагує з гідроксид-аніонами, при цьому утворюються карбонат-аніони CO32-. Вони залишаються в розчині і поступово можуть проникати в анодний простір. Там через кисле середовище вони перетворюються на нестійку вугільну кислоту, яка розпадається на воду і вуглекислий газ. У результаті частина вуглекислого газу виявляється в суміші з киснем, який теж виділяється на аноді. Цю суміш газів не можна знову вводити в електроліз, тому що кисень буде заважати відновленню. У результаті частина вуглекислого газу втрачається даремно, а ефективність процесу падає.
Ван Хаотян (Wang Haotian) і його колеги з Університету Райса зайнялися проблемою переходу вуглекислого газу в анодний простір. Спочатку вони провели модельну реакцію електролізу. CO2 відновлювали до CO в присутності нанопроволок срібла. Хіміки проаналізували суміш газів, яка виділилася на аноді, за допомогою газової хроматографії. Виявилося, що вуглекислого газу в ній удвічі більше, ніж кисню. Тобто приблизно половина розчиненого вуглекислого газу не вступає в реакцію електролізу, а перетворюється на карбонат аніони, і потім виділяється назад на суміші з киснем.
Щоб подолати цю проблему, хіміки запропонували встановити між катодом і анодом тверду полімерну мембрану з сульфонатними групами, через яку можуть швидко проникати протони з анодного простору. Вчені подумали, що в такому випадку карбонат-аніони будуть перетворюватися на вуглекислий газ заздалегідь, не доходячи до аноду.
Щоб перевірити свою гіпотезу, хіміки зібрали електролізер з полімерною мембраною, яку під час електролізу постійно промивали водою. Цю воду потім титрували на вміст різних форм вуглекислого газу. А газ з мембрани, який у воді не розчинявся, збирали методом витіснення води. Електроліз проводили при значеннях струму від 50 до 500 міліампер на квадратний сантиметр, а в якості каталізатора знову використовували нанопроволоки срібла. Хіміки виміряли обсяг газу, що виділяється на мембрані, при різних значеннях струму і порівняли його з теоретичними значеннями. Виявилося, що їм вдалося зібрати від 90 до 100 відсотків газу при різних значеннях струму. При цьому газова хроматографія показала, що газ, що виділяється, на 99 відсотків складається з CO2, і його можна знову вводити в електроліз.
Далі хіміки змінили свою установку. Тепер весь газ, який виділявся на мембрані, прямував назад у катодний простір. При цьому вчені вимірювали конверсію CO2 і вихід по струму. Коли хіміки зменшували потік вуглекислого газу, вихід по струму падав, зате конверсія збільшувалася, а коли потік ставав більше - навпаки.
У результаті авторам вдалося досягти конверсії вуглекислого газу в 91 відсоток при виході по струму в 60 відсотків. Швидкість потоку вуглекислого газу при цьому становила 2,6 мілілітра на хвилину. Також науковцям вдалося підтримувати конверсію вуглекислого газу в 60 відсотків при виході по струму в 85 відсотків. Так вдалося зберегти баланс між високим виходом і більшою, порівняно з уже відомими системами, конверсією.
У реакції, яку досліджували американські хіміки, примісь кисню заважає відновленню вуглекислого газу. Але бувають і зворотні випадки. Нещодавно ми розповідали про те, як маленька примісь кисню допомогла електросинтезу аміаку.