Wypełnij poniższy formularz, a my prześlemy Ci e-mailem wersję PDF „Nowych ulepszeń technologicznych umożliwiających konwersję dwutlenku węgla na paliwo ciekłe”
Dwutlenek węgla (CO2) jest produktem spalania paliw kopalnych i najpowszechniejszym gazem cieplarnianym, który można w zrównoważony sposób ponownie przekształcić w użyteczne paliwa. Obiecującym sposobem przekształcenia emisji CO2 w surowiec paliwowy jest proces zwany redukcją elektrochemiczną. Jednak aby proces był opłacalny z komercyjnego punktu widzenia, należy go ulepszyć, aby wybierać lub wytwarzać bardziej pożądane produkty bogate w węgiel. Obecnie, jak donosi czasopismo Nature Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) opracowało nową metodę ulepszania powierzchni katalizatora miedziowego stosowanego w reakcji pomocniczej, zwiększając w ten sposób selektywność procesu.
„Chociaż wiemy, że miedź jest najlepszym katalizatorem tej reakcji, nie zapewnia ona wysokiej selektywności w przypadku pożądanego produktu” – powiedział Alexis, starszy naukowiec na Wydziale Nauk Chemicznych w Berkeley Lab i profesor inżynierii chemicznej na uniwersytecie Kalifornii, Berkeley. – powiedział Zaklęcie. „Nasz zespół odkrył, że lokalne środowisko katalizatora można wykorzystać do wykonywania różnych sztuczek zapewniających tego rodzaju selektywność”.
W poprzednich badaniach badacze ustalili dokładne warunki zapewniające najlepsze środowisko elektryczne i chemiczne do tworzenia produktów bogatych w węgiel o wartości komercyjnej. Warunki te są jednak sprzeczne z warunkami, które naturalnie występują w typowych ogniwach paliwowych wykorzystujących materiały przewodzące na bazie wody.
Aby określić projekt, który można zastosować w środowisku wodnym ogniwa paliwowego, w ramach projektu Centrum Innowacji Energetycznych stowarzyszenia Liquid Sunshine Alliance Ministerstwa Energii, Bell i jego zespół sięgnęli po cienką warstwę jonomeru, która umożliwia pewne naładowane cząsteczki (jony), przez które przechodzą. Wyklucz inne jony. Ze względu na swoje wysoce selektywne właściwości chemiczne, szczególnie nadają się do silnego oddziaływania na mikrośrodowisko.
Chanyeon Kim, badacz ze stopniem doktora w grupie Bell i pierwszy autor artykułu, zaproponował powlekanie powierzchni katalizatorów miedziowych dwoma powszechnymi jonomerami: Nafionem i Sustainion. Zespół postawił hipotezę, że powinno to zmienić środowisko w pobliżu katalizatora – w tym pH oraz ilość wody i dwutlenku węgla – w taki sposób, aby ukierunkować reakcję w celu wytworzenia produktów bogatych w węgiel, które można łatwo przekształcić w przydatne chemikalia. Produkty i paliwa płynne.
Naukowcy nałożyli cienką warstwę każdego jonomeru i podwójną warstwę dwóch jonomerów na folię miedzianą wzmocnioną materiałem polimerowym, tworząc folię, którą mogli umieścić w pobliżu jednego końca ręcznie ukształtowanego ogniwa elektrochemicznego. Wstrzykując dwutlenek węgla do akumulatora i przykładając napięcie, zmierzyli całkowity prąd przepływający przez akumulator. Następnie zmierzyli gaz i ciecz zebrane w sąsiednim zbiorniku podczas reakcji. W przypadku dwuwarstwowym odkryli, że produkty bogate w węgiel odpowiadały za 80% energii zużywanej w reakcji – ponad 60% w przypadku niepowlekanego.
„Ta powłoka warstwowa zapewnia to, co najlepsze z obu światów: wysoką selektywność produktu i wysoką aktywność” – powiedział Bell. Dwuwarstwowa powierzchnia nie tylko nadaje się do produktów bogatych w węgiel, ale jednocześnie generuje silny prąd, wskazujący na wzrost aktywności.
Naukowcy doszli do wniosku, że lepsza reakcja była wynikiem wysokiego stężenia CO2 zgromadzonego w powłoce znajdującej się bezpośrednio na powierzchni miedzi. Ponadto ujemnie naładowane cząsteczki, które gromadzą się w obszarze pomiędzy dwoma jonomerami, będą powodować niższą lokalną kwasowość. Ta kombinacja kompensuje różnice w stężeniu, które zwykle występują w przypadku braku filmów jonomerowych.
Aby jeszcze bardziej poprawić efektywność reakcji, badacze sięgnęli po sprawdzoną wcześniej technologię, która nie wymaga folii jonomerowej jako innej metody zwiększania CO2 i pH: napięcie pulsacyjne. Stosując napięcie pulsacyjne do dwuwarstwowej powłoki jonomerowej, badacze osiągnęli 250% wzrost liczby produktów bogatych w węgiel w porównaniu z niepowlekaną miedzią i napięciem statycznym.
Chociaż niektórzy badacze skupiają swoje prace na opracowaniu nowych katalizatorów, odkrycie katalizatora nie uwzględnia warunków pracy. Kontrolowanie środowiska na powierzchni katalizatora jest nową i odmienną metodą.
„Nie opracowaliśmy zupełnie nowego katalizatora, ale wykorzystaliśmy naszą wiedzę na temat kinetyki reakcji i tę wiedzę, aby pomóc nam w myśleniu o zmianie środowiska w miejscu katalizatora” – powiedział Adam Weber, starszy inżynier. Naukowcy zajmujący się technologią energetyczną w Berkeley Laboratories i współautorzy prac.
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 do zastosowań komercyjnych. „Nałożenie powłoki na płaską powierzchnię nie jest trudne. Jednak metody komercyjne mogą obejmować powlekanie maleńkich miedzianych kulek” – powiedział Bell. Nałożenie drugiej warstwy powłoki staje się wyzwaniem. Jedną z możliwości jest zmieszanie i osadzenie obu powłok w rozpuszczalniku w nadziei, że rozdzielą się po odparowaniu rozpuszczalnika. A co jeśli tego nie zrobią? Bell podsumował: „Musimy po prostu być mądrzejsi”. Patrz Kim C, Bui JC, Luo X i inni. Dostosowane mikrośrodowisko katalizatora do elektroredukcji CO2 do produktów wielowęglowych przy użyciu dwuwarstwowej powłoki jonomerowej na miedzi. Energia Nat. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Artykuł ten jest reprodukcją z następującego materiału. Uwaga: Materiał mógł zostać zmieniony pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z cytowanym źródłem.
Czas publikacji: 22 listopada 2021 r
