Безмембранный электролизер гидрирования CO2 для управления осаждением солей в кислотном электрохимическом восстановлении CO2

Превращение климатического загрязнения в полезное жидкое топливо

Диоксид углерода (CO2) от электростанций и заводов — один из главных факторов изменения климата, но одновременно это дешёвое и доступное сырьё. Ученые спешат превращать CO2 в полезные химикаты с помощью электроэнергии из возобновляемых источников. В этом исследовании решается практическая проблема, которая незаметно ограничивала такие технологии: накопление солей внутри промышленных реакторов, что со временем снижает их эффективность. Авторы предлагают новый дизайн реактора без мембраны, который стабильно работает дни напролёт и эффективно превращает CO2 в муравьиную кислоту — жидкость, которую можно использовать как химическое сырьё, консервант или носитель энергии.

Почему современные установки для CO2 засоряются

Многие установки по превращению CO2 в химикаты напоминают компактные топливные элементы. CO2 поступает на одну сторону (катод), где он преобразуется в продукты, а на другой стороне (анод) идёт разложение воды, чтобы обеспечить требуемые положительные заряды (протоны). Между этими сторонами находится тонкая полимерная плёнка — мембрана, которая пропускает определённые ионы, но разделяет жидкости. В щелочных или нейтральных средах большая часть CO2 реагирует с гидроксидом, образуя карбонатные соли вместо полезных продуктов, что приводит к потере углерода и энергозатратной переработке. В кислой среде этого можно избежать, но тогда работа системы зависит от способности мембраны быстро и равномерно доставлять протоны. Когда подача протонов отстаёт, местная кислотность у катода повышается, карбонаты и бикарбонаты кристаллизуются, и твёрдые соли постепенно блокируют каналы подачи газа, необходимые для доставки CO2 к катализатору.

Новый способ перемещать протоны без барьера

Команда впервые количественно оценила, насколько эффективно протоны проходят через мембраны в типичных кислых реакторах, введя простую меру: число протонов, прошедших на каждое электронное прохождение через цепь. С помощью теории и компьютерного моделирования они показали, что реальные мембраны редко достигают идеальной передачи протонов. Более толстые плёнки, низкая селективность по протонам и определённые смеси ионов замедляют движение протонов и создают неравномерную кислотность между сторонами. Эксперименты подтвердили это: в стандартной ячейке с мембраной католайт (жидкость у катода) в течение нескольких часов смещался от сильно кислой к почти нейтральной среде, что способствовало образованию карбонатов и осаждению солей внутри газопроницаемого электрода.

Безмембранное гидрирование CO2

Чтобы полностью обойти узкое место мембраны, исследователи убрали её и пропустили общую жидкость через оба электрода. Это само по себе стабилизировало pH, но выявило новую проблему: ценная муравьиная кислота, образующаяся на катоде, могла бы разлагаться на обычном аноде, где происходит реакция выделения кислорода — процесс при относительно высоком напряжении, при котором окисляются многие органические молекулы. Решение заключалось в замене эволюции кислорода реакцией окисления водорода — по сути «сжиганием» водорода в протоны при очень низком напряжении. В этом безмембранном электролизере гидрирования CO2 водород подаётся на анод, CO2 — на катод, а текущая жидкость быстро смешивает протоны и гидроксид, образующиеся с каждой стороны, предотвращая стойкие градиенты pH и значительно снижая накопление солей.

Умный катализатор и долговременная работоспособность

В основе катода авторы создали катализатор на основе висмута и серебра (Bi–Ag), который сочетает склонность висмута к образованию формиата с отличной проводимостью серебра. Микроскопия и спектроскопия показали наночастицы серебра, покрывающие висмутовые нановолокна, и тонкие электронные взаимодействия между двумя металлами, улучшающие адсорбцию и активацию CO2. В кислой среде этот катализатор превращал CO2 в муравьиную кислоту с эффективностью более 90% в широком диапазоне токов. В безмембранной установке с подключенным водородом он обеспечивал более 90% эффективности при 100 миллиамперах на квадратный сантиметр, потребляя лишь 1,7 вольта — значительно меньше, чем у конкурирующих схем — и работал стабильно в течение 208 часов. После нескольких дней работы в электроде обнаруживались лишь следы карбонатных солей, что свидетельствует о существенном подавлении проблемы осаждения.

От лабораторной установки к практической конверсии CO2

Помимо демонстрации работоспособности концепции, команда продвинула дизайн в сторону практической применимости. Уменьшив канал с жидкостью между электродами, они снизили электрическое сопротивление и сохранили высокую производительность при более низких напряжениях. Достигнута однократная конверсия CO2 до 77%, то есть большая часть входящего CO2 превращалась в продукт за один проход. Экономическое моделирование показало, что удаление мембраны, сокращение энергопотребления и высокая утилизация углерода могут существенно снизить стоимость производства муравьиной кислоты, хотя дальнейшее удешевление будет зависеть от более дешёвой электроэнергии, улучшения разделения продукта из жидкости и работы при более высоких токах. В целом работа демонстрирует практичный путь превращения отходного CO2 в полезное жидкое химическое вещество, обходя ключевую проблему долговечности, которая осложняла предыдущие конструкции реакторов.

Цитирование: Da, Y., Fan, L., Wang, W. et al. Membrane-free CO₂ hydrogenation electrolyzer for salt precipitation management in acidic electrochemical CO₂ reduction. Nat Commun 17, 1872 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68600-3

Ключевые слова: электрореакция CO2, муравьиная кислота, безмембранный электролизер, окисление водорода, использование углерода