Perché l'ePTFE è preferito per gli strati di diffusione del gas nella CO2RR? Raggiungere prestazioni durature nella riduzione del carbonio

Il politetrafluoroetilene espanso (ePTFE) è la scelta preferita per gli strati di diffusione del gas nelle reazioni di riduzione dell'anidride carbonica (CO2RR) principalmente grazie alla sua eccezionale idrofobicità e stabilità chimica. A differenza delle tradizionali alternative a base di carbonio, la sua struttura non conduttiva mantiene una robusta barriera contro l'acqua liquida, garantendo prestazioni costanti durante l'elettrolisi.

Lo scheletro non conduttivo dell'ePTFE fornisce uno stato idrofobico duraturo che previene i problemi di bagnatura comuni negli strati a base di carbonio. Questa stabilità strutturale unica mitiga efficacemente l'allagamento e la deposizione di sali, garantendo percorsi a lungo termine per il trasporto del gas.

La limitazione dei materiali tradizionali

Instabilità degli strati a base di carbonio

I tradizionali strati di diffusione del gas (GDL) si basano pesantemente sul carbonio. Sebbene conduttivi, questi tradizionali strati a base di carbonio spesso faticano a mantenere il loro stato idrofobico nel tempo.

Il rischio di allagamento

Quando il carattere idrofobico di un GDL si degrada, l'elettrolita liquido penetra nei pori. Questo fenomeno, noto come allagamento, blocca i percorsi richiesti affinché il gas anidride carbonica raggiunga il catalizzatore, ostacolando gravemente la reazione.

La meccanica della superiorità dell'ePTFE

Idrofobicità duratura

Il vantaggio principale dell'ePTFE risiede nel suo scheletro non conduttivo. Questa struttura è intrinsecamente resistente alla bagnatura e alla degradazione in condizioni elettrochimiche difficili.

Prevenzione della deposizione di sali

Mantenendo un ambiente asciutto all'interno dei pori del gas, l'ePTFE previene efficacemente la deposizione di sali. In altri materiali, l'intrusione dell'elettrolita porta alla cristallizzazione dei sali, che ostruiscono fisicamente i percorsi di diffusione e degradano le prestazioni.

Trasporto di gas sostenuto

La stabilità chimica dell'ePTFE garantisce che i percorsi di trasporto del gas rimangano aperti a lungo termine. Questa affidabilità è fondamentale per un funzionamento continuo, dove è necessaria una fornitura costante di CO2 per una riduzione efficiente.

Comprendere i compromessi

Conducibilità elettrica

È importante notare che l'ePTFE è definito dalla sua natura non conduttiva. Sebbene il riferimento lo evidenzi come un vantaggio per il mantenimento dell'idrofobicità (a differenza degli scheletri di carbonio conduttivi che si degradano), implica una differenza fondamentale di progettazione.

Integrazione del sistema

Poiché lo scheletro di ePTFE non conduce elettroni, la corrente elettrica necessaria per l'elettrolisi deve essere gestita diversamente rispetto ai fogli di carbonio completamente conduttivi. L'attenzione si sposta interamente sull'uso dell'ePTFE come barriera fisica e condotto del gas, piuttosto che come conduttore elettrico.

Fare la scelta giusta per il tuo obiettivo

La selezione di uno strato di diffusione del gas dipende dalla priorità della stabilità rispetto a specifiche modalità di guasto.

• Se il tuo obiettivo principale è la stabilità a lungo termine: l'ePTFE è superiore perché il suo stato idrofobico duraturo previene l'allagamento e l'accumulo di sali che degradano le prestazioni nel tempo.
• Se il tuo obiettivo principale è prevenire l'intasamento dei pori: l'ePTFE è la scelta ottimale poiché la sua stabilità chimica mantiene i percorsi del gas aperti meglio delle alternative a base di carbonio.

Sfruttando le proprietà inerti dell'ePTFE, garantisci una fornitura di gas affidabile essenziale per una riduzione efficiente e sostenuta dell'anidride carbonica.

Tabella riassuntiva:

Caratteristica	Strato di diffusione del gas in ePTFE	GDL tradizionale in carbonio
Base del materiale	Scheletro in ePTFE non conduttivo	Fibra/carta di carbonio conduttiva
Idrofobicità	Intrinsecamente duratura e stabile	Si degrada nel tempo
Resistenza all'allagamento	Eccellente (previene l'ingresso di liquidi)	Moderata o bassa (suscettibile alla bagnatura)
Deposizione di sali	Efficacemente mitigata	Alto rischio di intasamento dei pori
Stabilità a lungo termine	Alta (mantiene i percorsi del gas)	Inferiore (a causa del degrado)

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Riferimenti

1. Hugo‐Pieter Iglesias van Montfort, Thomas Burdyny. Non-invasive current collectors for improved current-density distribution during CO2 electrolysis on super-hydrophobic electrodes. DOI: 10.1038/s41467-023-42348-6

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