Wypełnij poniższy formularz, a my wyślemy Ci wersję PDF dokumentu „Nowe udoskonalenia technologiczne umożliwiające przekształcanie dwutlenku węgla w paliwo płynne”
Dwutlenek węgla (CO2) jest produktem spalania paliw kopalnych i najpowszechniejszym gazem cieplarnianym, który można w zrównoważony sposób ponownie przekształcić w użyteczne paliwa. Obiecującym sposobem na przekształcenie emisji CO2 w paliwo wsadowe jest proces zwany redukcją elektrochemiczną. Jednak aby proces ten był opłacalny komercyjnie, konieczne jest jego udoskonalenie w celu selekcji lub wytwarzania bardziej pożądanych produktów bogatych w węgiel. Jak donosi czasopismo Nature Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) opracowało nową metodę poprawy powierzchni katalizatora miedziowego używanego w reakcji pomocniczej, zwiększając tym samym selektywność procesu.
„Chociaż wiemy, że miedź jest najlepszym katalizatorem tej reakcji, nie zapewnia ona wysokiej selektywności dla pożądanego produktu” – powiedział Alexis, starszy naukowiec z Wydziału Nauk Chemicznych w Berkeley Lab i profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Spell dodał: „Nasz zespół odkrył, że można wykorzystać lokalne środowisko katalizatora do różnych sztuczek, aby zapewnić ten rodzaj selektywności”.
W poprzednich badaniach naukowcy precyzyjnie określili warunki zapewniające optymalne środowisko elektryczne i chemiczne do tworzenia produktów bogatych w węgiel o wartości komercyjnej. Warunki te są jednak sprzeczne z warunkami naturalnie występującymi w typowych ogniwach paliwowych wykorzystujących materiały przewodzące na bazie wody.
Aby określić konstrukcję, którą można zastosować w środowisku wodnym ogniw paliwowych, w ramach projektu Centrum Innowacji Energetycznych, realizowanego przez Liquid Sunshine Alliance Ministerstwa Energii, Bell i jego zespół zastosowali cienką warstwę jonomeru, która umożliwia przenikanie określonych naładowanych cząsteczek (jonów). Wyklucza inne jony. Ze względu na swoje wysoce selektywne właściwości chemiczne, jonomer ten jest szczególnie odpowiedni do wywierania silnego wpływu na mikrośrodowisko.
Chanyeon Kim, badaczka podoktorska w grupie Bell i pierwsza autorka artykułu, zaproponowała pokrycie powierzchni katalizatorów miedziowych dwoma powszechnie występującymi jonomerami, Nafionem i Sustainionem. Zespół postawił hipotezę, że takie działanie powinno zmienić środowisko w pobliżu katalizatora – w tym pH oraz ilość wody i dwutlenku węgla – w taki sposób, aby reakcja przebiegała w kierunku wytwarzania produktów bogatych w węgiel, które można łatwo przekształcić w użyteczne związki chemiczne. Produkty i paliwa ciekłe.
Naukowcy nałożyli cienką warstwę każdego jonomeru oraz podwójną warstwę dwóch jonomerów na warstwę miedzianą podpartą materiałem polimerowym, tworząc powłokę, którą mogli umieścić w pobliżu jednego końca ogniwa elektrochemicznego w kształcie dłoni. Podczas wstrzykiwania dwutlenku węgla do akumulatora i przykładania napięcia, zmierzyli całkowity prąd przepływający przez akumulator. Następnie zmierzyli gaz i ciecz zebrane w sąsiednim zbiorniku podczas reakcji. W przypadku dwóch warstw odkryli, że produkty bogate w węgiel stanowiły 80% energii zużywanej przez reakcję – ponad 60% w przypadku bez powłoki.
„Ta powłoka warstwowa zapewnia to, co najlepsze z obu światów: wysoką selektywność produktu i wysoką aktywność” – powiedział Bell. Dwuwarstwowa powierzchnia nie tylko sprawdza się w przypadku produktów bogatych w węgiel, ale także generuje silny prąd, co wskazuje na wzrost aktywności.
Naukowcy doszli do wniosku, że lepsza reakcja była wynikiem wysokiego stężenia CO2 zgromadzonego w powłoce bezpośrednio na miedzi. Ponadto, cząsteczki o ładunku ujemnym, które gromadzą się w obszarze między dwoma jonomerami, będą powodować niższą lokalną kwasowość. Ta kombinacja kompensuje kompromisy w zakresie stężeń, które zwykle występują w przypadku braku warstw jonowych.
Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność reakcji, naukowcy sięgnęli po sprawdzoną wcześniej technologię, która nie wymaga powłoki jonomerowej, jako kolejną metodę zwiększenia stężenia CO2 i pH: napięcie impulsowe. Poprzez zastosowanie napięcia impulsowego do dwuwarstwowej powłoki jonomerowej, naukowcy osiągnęli 250% wzrost produktów bogatych w węgiel w porównaniu z miedzią niepowlekaną i napięciem statycznym.
Chociaż niektórzy badacze koncentrują swoją pracę na rozwoju nowych katalizatorów, odkrycie katalizatora nie uwzględnia warunków pracy. Kontrola środowiska na powierzchni katalizatora to nowa i odmienna metoda.
„Nie stworzyliśmy zupełnie nowego katalizatora, ale wykorzystaliśmy naszą wiedzę na temat kinetyki reakcji i wykorzystaliśmy ją, aby pokierować nas w rozważaniach nad tym, jak zmienić środowisko w miejscu katalizatora” – powiedział Adam Weber, starszy inżynier, naukowiec zajmujący się technologiami energetycznymi w Berkeley Laboratories i współautor publikacji.
Kolejnym krokiem jest rozszerzenie produkcji katalizatorów powlekanych. Wstępne eksperymenty zespołu z Berkeley Lab obejmowały małe, płaskie systemy modelowe, które były znacznie prostsze niż wielkopowierzchniowe struktury porowate wymagane w zastosowaniach komercyjnych. „Nałożenie powłoki na płaską powierzchnię nie jest trudne. Jednak metody komercyjne mogą obejmować powlekanie maleńkich kulek miedzianych” – powiedział Bell. Nałożenie drugiej warstwy powłoki staje się trudne. Jedną z możliwości jest zmieszanie i osadzenie obu powłok razem w rozpuszczalniku, z nadzieją, że rozdzielą się po odparowaniu rozpuszczalnika. Co jeśli tak się nie stanie? Bell podsumował: „Musimy po prostu być mądrzejsi”. Zobacz: Kim C, Bui JC, Luo X i inni. Dostosowane mikrośrodowisko katalizatora do elektroredukcji CO2 do produktów wielowęglowych z wykorzystaniem dwuwarstwowej powłoki jonomerowej na miedzi. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Niniejszy artykuł został przedrukowany z następującego materiału. Uwaga: Materiał mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, prosimy o kontakt z cytowanym źródłem.
Czas publikacji: 22-11-2021
