Влияние чрезмерного сжатия электродов газораспределения в щелочных CO2-электролизёрах с нулевым зазором

Почему важно сжимать устройства чистой энергии

Преобразование углекислого газа (CO2) в пригодные для использования топлива и химикаты с помощью электричества может помочь сократить выбросы парниковых газов, особенно если это электричество поступает из возобновляемых источников. Многие многообещающие устройства для превращения CO2 в топливо устроены как «сэндвичи», с тонкими пористыми слоями, которые нужно плотно прижимать друг к другу. В этом исследовании показано, что чрезмерное сжатие одного из таких слоев — электрода газораспределения в щелочном CO2-электролизёре с нулевым зазором — может сыграть злую шутку: перекрывать газовые пути, способствовать заполнению пор жидкостью и образованию солевых отложений и в конечном счёте ухудшать эффективность и стабильность. Подбор «как раз подходящего» уровня сжатия оказывается простым, но мощным рычагом для повышения производительности.

Как эти устройства превращают CO2 в топливо

Работа сосредоточена на щелочных CO2-электролизёрах с нулевым зазором — типе устройств, где увлажнённый газ CO2 подаётся с одной стороны (катод), а с другой стороны течёт жидкий электролит (анод). Между ними расположены тонкая мембрана и два пористых электрода газораспределения, которые объединяют газы, жидкости и электроны в зонах катализатора. На катоде CO2 в основном преобразуется в монооксид углерода (CO) — полезный строительный блок для топлива и химикатов, тогда как образование водорода (H2) является нежелательным побочным продуктом. Для эффективной работы устройства газ CO2 должен достигать катализатора, поры не должны быть заполнены жидкостью, а в электроде не должны расти кристаллы соли. Механическое сжатие — то, насколько плотно зажата сборка — прямо влияет на толщину и пористость этого слоя и, следовательно, на все процессы транспортировки.

Когда плотное зажатие вызывает скрытые блокировки

Исследователи сравнили три уровня сжатия катодного электрода газораспределения: уменьшение толщины на 10%, 20% и 30%. С помощью высокоскоростной рентгеновской визуализации на синхротроне они в реальном времени наблюдали, как жидкость с анодной стороны, конденсированная вода и осаждающиеся твёрдые солевые фазы распределяются внутри катода. При наибольшем сжатии (30%) поры электрода стали более извилистыми и менее открытыми. Данные по рентгеновскому поглощению показали, что большее количество жидкости и более концентрированные соли аккумулировались особенно вблизи области катализатора и на интерфейсе, где газ впервые входит в пористый слой. Это создавало локальные карманы с захваченной жидкостью и солью, блокировавшие поток CO2 — своего рода микроскопическая пробка, которая со временем усугублялась.

Измерение потерь в производительности изнутри

Чтобы связать эти внутренние изменения с рабочими характеристиками, команда работала электролизёром при промышленно релевантной плотности тока, отслеживая напряжение ячейки, компоненты сопротивления и распределение продуктов. При 30% сжатии напряжение ячейки сильно флуктуировало, что соответствует нестабильному двухфазному потоку, при котором газ периодически блокируется жидкостью. Электрохимические импедансные измерения показали, что сопротивление массовому переносу — то есть трудность доступа реагентов к реакционным участкам — к концу теста было более чем в семь раз выше при 30% сжатии, чем при 10%. Это увеличение связывалось с накоплением солей, а не с проблемами на аноде, где распределение жидкости почти не менялось. Напротив, омическое сопротивление, связанное с простой электрической проводимостью, мало менялось с уровнем сжатия, что указывает на то, что чрезмерное сжатие главным образом вредит газо-жидкостному транспорту, а не базовой проводимости.

Поиск оптимума для производства топлива

Команда также измеряла селективность образования CO вместо H2 в течение 90‑минутного запуска. Изначально при высоком сжатии электроды демонстрировали несколько больший выход CO, вероятно потому, что более короткие пути диффузии временно улучшали доступ CO2. Но по мере накопления жидкости и соли в суженных порах производство CO резко падало, в то время как образование H2 возрастало и затем стабилизировалось — признак того, что CO2 всё сильнее блокируется, тогда как вода по-прежнему достигает катализатора. Случай с лёгким сжатием (10%) начинался с меньшей доли CO, но поддерживал её гораздо стабильнее, завершая эксперимент с наивысшей средней эффективностью по CO и меньшим падением производительности. Это указывает на то, что более открытая, менее извилистая пористая структура лучше уравновешивает доступ газа, присутствие жидкости и управление солью со временем.

Что это значит для более чистого преобразования CO2

Практически это исследование показывает, что «больше давления» не всегда лучше при сборке CO2-электролизёров. Умеренный уровень сжатия порядка 10% оказался достаточным для поддержания хорошего контакта между слоями при сохранении открытых путей для газа CO2 и ограничении захвата жидкости и соли. Чрезмерное сжатие электрода газораспределения выдавило те самые каналы, которыми устройство «дышит», что привело к нестабильным напряжениям, большим потерям при транспортировке и более быстрому снижению CO-селективности. Тщательная настройка механического сжатия — недорогого параметра конструкции — может продлить срок службы устройств, стабилизировать работу при высокой плотности тока и приблизить электролиз CO2 к промышленной пригодности.

Цитирование: Farsi, A., Batta, V., Tugirumubano, A. et al. Impact of over compressing gas diffusion electrodes in alkaline zero-gap CO₂ electrolyzers. Sci Rep 16, 12443 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42959-1

Ключевые слова: электролиз CO2, электрод газораспределения, механическое сжатие, массовый транспорт, электрохимическое преобразование