Попълнете формуляра по-долу и ние ще ви изпратим по имейл PDF версията на „Нови технологични подобрения за превръщане на въглероден диоксид в течно гориво“
Въглеродният диоксид (CO2) е продукт от изгарянето на изкопаеми горива и най-разпространеният парников газ, който може да бъде преобразуван обратно в полезни горива по устойчив начин. Един обещаващ начин за превръщане на емисиите на CO2 в суровина за гориво е процес, наречен електрохимична редукция. Но за да бъде търговски жизнеспособен, процесът трябва да бъде подобрен, за да се избират или произвеждат по-желани продукти, богати на въглерод. Сега, както се съобщава в списанието Nature Energy, Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (Berkeley Lab) е разработила нов метод за подобряване на повърхността на медния катализатор, използван за спомагателната реакция, като по този начин повишава селективността на процеса.
„Въпреки че знаем, че медта е най-добрият катализатор за тази реакция, тя не осигурява висока селективност за желания продукт“, каза Алексис, старши учен в отдела по химични науки в лабораторията Бъркли и професор по химическо инженерство в университета от Калифорния, Бъркли. Спел каза. „Нашият екип установи, че можете да използвате местната среда на катализатора, за да правите различни трикове, за да осигурите този вид селективност.“
В предишни проучвания изследователите са установили точни условия за осигуряване на най-добрата електрическа и химическа среда за създаване на богати на въглерод продукти с търговска стойност. Но тези условия са в противоречие с условията, които естествено възникват в типичните горивни клетки, използващи проводими материали на водна основа.
За да се определи дизайнът, който може да се използва във водната среда на горивните клетки, като част от проекта на Energy Innovation Center на Liquid Sunshine Alliance на Министерството на енергетиката, Бел и неговият екип се обърнаха към тънък слой йономер, който позволява определени заредени молекули (йони), през които да преминат. Изключете други йони. Благодарение на техните силно селективни химични свойства, те са особено подходящи за силно въздействие върху микросредата.
Chanyeon Kim, постдокторантски изследовател в групата Bell и първият автор на статията, предложи да се покрие повърхността на медните катализатори с два общи йономера, Nafion и Sustainion. Екипът предположи, че това трябва да промени околната среда в близост до катализатора - включително рН и количеството вода и въглероден диоксид - по някакъв начин, за да насочи реакцията към получаване на богати на въглерод продукти, които могат лесно да бъдат превърнати в полезни химикали. Продукти и течни горива.
Изследователите нанасят тънък слой от всеки йономер и двоен слой от два йономера върху меден филм, поддържан от полимерен материал, за да образуват филм, който могат да вмъкнат близо до единия край на електрохимична клетка с форма на ръка. Когато инжектират въглероден диоксид в батерията и прилагат напрежение, те измерват общия ток, протичащ през батерията. След това те измерват газа и течността, събрани в съседния резервоар по време на реакцията. За двуслойния случай те откриха, че продуктите, богати на въглерод, представляват 80% от енергията, консумирана от реакцията - повече от 60% в случая без покритие.
„Това сандвич покритие осигурява най-доброто от двата свята: висока продуктова селективност и висока активност“, каза Бел. Двуслойната повърхност не само е добра за продукти, богати на въглерод, но също така генерира силен ток в същото време, което показва увеличаване на активността.
Изследователите заключават, че подобрената реакция е резултат от високата концентрация на CO2, натрупана в покритието директно върху медта. В допълнение, отрицателно заредените молекули, които се натрупват в областта между двата йономера, ще произведат по-ниска локална киселинност. Тази комбинация компенсира концентрационните компромиси, които обикновено се появяват при липса на йономерни филми.
За да подобрят допълнително ефективността на реакцията, изследователите се обърнаха към доказана преди това технология, която не изисква йономерен филм като друг метод за увеличаване на CO2 и рН: импулсно напрежение. Чрез прилагане на импулсно напрежение към двуслойното йономерно покритие, изследователите постигнаха 250% увеличение на богатите на въглерод продукти в сравнение с непокритата мед и статичното напрежение.
Въпреки че някои изследователи фокусират работата си върху разработването на нови катализатори, откриването на катализатора не взема предвид условията на работа. Контролът на околната среда върху повърхността на катализатора е нов и различен метод.
„Ние не измислихме напълно нов катализатор, но използвахме нашето разбиране за кинетиката на реакцията и използвахме това знание, за да ни насочат да мислим как да променим средата на мястото на катализатора“, каза Адам Вебер, старши инженер. Учени в областта на енергийните технологии в Berkeley Laboratories и съавтор на статии.
Следващата стъпка е разширяване на производството на катализатори с покритие. Предварителните експерименти на екипа на Berkeley Lab включваха малки плоски моделни системи, които бяха много по-прости от порестите структури с голяма площ, необходими за търговски приложения. „Не е трудно да се нанесе покритие върху равна повърхност. Но комерсиалните методи могат да включват покриване на малки медни топчета“, каза Бел. Добавянето на втори слой покритие става предизвикателство. Една от възможностите е да смесите и нанесете двете покрития заедно в разтворител и да се надявате, че те ще се разделят, когато разтворителят се изпари. Ами ако не го направят? Бел заключи: „Просто трябва да бъдем по-умни.“ Обърнете се към Kim C, Bui JC, Luo X и други. Персонализирана каталитична микросреда за електроредукция на CO2 до многовъглеродни продукти с използване на двуслойно йономерно покритие върху мед. Нат Енергия. 2021; 6 (11): 1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Тази статия е възпроизведена от следния материал. Забележка: Материалът може да е редактиран за дължина и съдържание. За повече информация, моля, свържете се с цитирания източник.
Време на публикуване: 22 ноември 2021 г
