Попълнете формата по-долу и ще ви изпратим по имейл PDF версията на „Нови технологични подобрения за преобразуване 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 преобразуване на емисиите на CO2 в горивна суровина е процес, наречен електрохимична редукция. Но за да бъде търговски жизнеспособен, процесът трябва да бъде подобрен, за да се селектират или произвеждат по-желани продукти, богати на въглерод. Сега, както е съобщено в списанието Nature Energy, Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ (Berkeley Lab) е разработила нов метод за подобряване на повърхността на медния катализатор, използван за спомагателната реакция, като по този начин се увеличава 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 катедрата по химични науки в лабораторията „Бъркли“ и професор по химическо инженерство в Калифорнийския университет в Бъркли. Спел каза. „Нашият екип откри, че можете да използвате локалната среда на катализатора, за да направите различни трикове, за да осигурите този вид селективност.“
В предишни проучвания, изследователите са установили точни условия, за да осигурят 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 се срещат в типичните горивни клетки, използващи проводими материали на водна основа.
За да определят дизайна, който може да се използва във водна среда на горивни клетки, като част от проекта на Центъра за енергийни иновации на Liquid Sunshine Alliance към Министерството на енергетиката, Бел и екипът му се обърнаха към тънък слой йономер, който позволява на определени заредени молекули (йони) да преминават, като изключва други йони. Поради високоселективните си химични свойства, те са особено подходящи за силно въздействие върху микросредата.
Чаньон Ким, постдокторант в групата Bell и първи автор на статията, предложи да се покрие повърхността на медните катализатори с два често срещани йономера, Nafion и Sustainion. Екипът предположи, че това би трябвало да промени средата в близост до катализатора – включително pH 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 нанесли 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 поставят близо до единия край на електрохимична клетка с форма на ръка. При инжектиране на въглероден диоксид в батерията и прилагане на напрежение, те измерили общия ток, протичащ през батерията. След това измерили газа и течността, събрани в съседния резервоар по време на реакцията. За двуслойния случай те установили, че богатите на въглерод продукти представляват 80% от енергията, консумирана от реакцията - повече от 60% в случая без покритие.
„Това сандвич покритие предлага най-доброто от двата свята: висока селективност на продукта и висока активност“, каза Бел. Двуслойната повърхност е не само добра за богати на въглерод продукти, но и едновременно с това генерира силен ток, което показва повишаване на активността.
Изследователите стигнаха до заключението, че подобрената реакция е резултат от високата концентрация на CO2, натрупана в покритието директно върху медта. Освен това, отрицателно заредените молекули, които се натрупват в областта между двата йономера, ще доведат до по-ниска локална киселинност. Тази комбинация компенсира компромисите с концентрацията, които са склонни да се случват при липса на йономерни филми.
За да подобрят допълнително ефективността на реакцията, изследователите се обърнаха към вече доказана технология, която не изисква йономерен филм, като друг метод за повишаване на CO2 и pH: 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 отчита работните условия. Контролирането на средата върху повърхността на катализатора е нов и различен метод.
„Не създадохме напълно нов катализатор, а използвахме познанията си за кинетиката на реакциите и тези знания ни насочваха в размисъл за това как да променим средата на мястото на катализатора“, каза Адам Вебер, старши инженер, учен в областта на енергийните технологии в лабораториите Бъркли и съавтор на научни статии.
Следващата стъпка е разширяване на производството на покрити катализатори. Предварителните експерименти на екипа от лабораторията в Бъркли 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 плоска повърхност. Но търговските методи могат да включват покриване на малки медни топчета“, каза Бел. Добавянето на втори слой покритие става предизвикателство. Една от възможностите е да се смесят и отложат двете покрития заедно в разтворител и да се надяваме, че ще се разделят, когато разтворителят се изпари. Ами ако не се изпарят? Бел заключи: „Просто трябва да бъдем по-умни.“ Вижте Kim C, Bui JC, Luo X и други. Персонализирана катализаторна микросреда за електроредукция на CO2 до многовъглеродни продукти с помощта на двуслойно йономерно покритие върху мед. Nat Energy. 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 по отношение на дължина и съдържание. За повече информация, моля, свържете се с цитирания източник.
Време на публикуване: 22 ноември 2021 г.
