Заповніть форму нижче, і ми надішлемо вам електронною поштою PDF-версію «Нові технологічні вдосконалення для перетворення вуглекислого газу в рідке паливо»
Вуглекислий газ (CO2) є продуктом спалювання викопного палива та найпоширенішим парниковим газом, який можна перетворити назад на корисне паливо в екологічно чистий спосіб. Одним із багатообіцяючих способів перетворення викидів CO2 на паливну сировину є процес, який називається електрохімічним відновленням. Але щоб бути комерційно життєздатним, процес потрібно вдосконалити, щоб вибрати або виробляти більш бажані продукти, багаті вуглецем. Тепер, як повідомляється в журналі Nature Energy, Національна лабораторія Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) розробила новий метод поліпшення поверхні мідного каталізатора, який використовується для допоміжної реакції, тим самим підвищивши селективність процесу.
«Хоча ми знаємо, що мідь є найкращим каталізатором для цієї реакції, вона не забезпечує високої селективності для бажаного продукту», — сказав Алексіс, старший науковий співробітник відділу хімічних наук лабораторії Берклі та професор хімічної інженерії в університеті. Каліфорнія, Берклі. Заклинання сказав. «Наша команда виявила, що ви можете використовувати місцеве середовище каталізатора, щоб робити різні трюки, щоб забезпечити такий вид вибірковості».
У попередніх дослідженнях дослідники встановили точні умови для забезпечення найкращого електричного та хімічного середовища для створення збагачених вуглецем продуктів комерційної цінності. Але ці умови суперечать умовам, які природно виникають у типових паливних елементах із використанням провідних матеріалів на водній основі.
Щоб визначити конструкцію, яку можна використовувати у водному середовищі паливних елементів, у рамках проекту Центру енергетичних інновацій Liquid Sunshine Alliance Міністерства енергетики Белл і його команда звернулися до тонкого шару іономеру, який дозволяє певні заряди молекули (іони), щоб пройти. Виключити інші іони. Завдяки своїм високоселективним хімічним властивостям вони особливо підходять для сильного впливу на мікросередовище.
Чаньйон Кім, докторант у групі Белла та перший автор статті, запропонував покрити поверхню мідних каталізаторів двома звичайними іономерами, нафіоном і сустейніоном. Команда припустила, що це має змінити навколишнє середовище поблизу каталізатора, включаючи рН і кількість води та вуглекислого газу, щоб певним чином спрямувати реакцію на отримання багатих вуглецем продуктів, які можна легко перетворити на корисні хімічні речовини. Продукти та рідке паливо.
Дослідники нанесли тонкий шар кожного іономеру та подвійний шар із двох іономерів на мідну плівку, підтримувану полімерним матеріалом, щоб утворити плівку, яку вони могли вставити біля одного кінця електрохімічної комірки у формі руки. При впорскуванні вуглекислого газу в акумулятор і подачі напруги вони виміряли загальний струм, що протікає через акумулятор. Потім вони виміряли газ і рідину, зібрані в сусідньому резервуарі під час реакції. Для двошарового випадку вони виявили, що на продукти, багаті вуглецем, припадає 80% енергії, споживаної реакцією — більше ніж 60% у випадку без покриття.
«Це сендвічне покриття забезпечує найкраще з обох світів: високу селективність продукту та високу активність», — сказав Белл. Двошарова поверхня не тільки хороша для продуктів, багатих вуглецем, але й одночасно створює сильний струм, що вказує на збільшення активності.
Дослідники прийшли до висновку, що покращена реакція була результатом високої концентрації CO2, накопиченої в покритті безпосередньо поверх міді. Крім того, негативно заряджені молекули, які накопичуються в області між двома іономерами, призведуть до зниження локальної кислотності. Ця комбінація компенсує концентраційні компроміси, які зазвичай виникають за відсутності іономерних плівок.
Щоб ще більше підвищити ефективність реакції, дослідники звернулися до раніше перевіреної технології, яка не потребує іономерної плівки, як до іншого методу підвищення CO2 і pH: імпульсна напруга. Застосовуючи імпульсну напругу до двошарового іономерного покриття, дослідники досягли на 250% збільшення продуктів, багатих вуглецем, порівняно з міддю без покриття та статичною напругою.
Хоча деякі дослідники зосереджують свою роботу на розробці нових каталізаторів, відкриття каталізатора не враховує умови експлуатації. Контроль середовища на поверхні каталізатора є новим і іншим методом.
«Ми не придумали абсолютно новий каталізатор, але використали наше розуміння кінетики реакції та використали ці знання, щоб допомогти нам думати про те, як змінити середовище каталізатора», — сказав Адам Вебер, старший інженер. Вчені в галузі енергетичних технологій у лабораторіях Берклі та співавтор статей.
Наступний крок — розширення виробництва каталізаторів з покриттям. Попередні експерименти команди лабораторії Берклі включали невеликі плоскі модельні системи, які були набагато простіші, ніж пористі структури великої площі, необхідні для комерційного застосування. «Нанести покриття на рівну поверхню нескладно. Але комерційні методи можуть включати покриття крихітних мідних кульок», — сказав Белл. Додавання другого шару покриття стає складним завданням. Однією з можливостей є змішування та осадження двох покриттів разом у розчиннику та сподівання, що вони розділяться, коли розчинник випарується. А якщо ні? Белл підсумував: «Нам просто потрібно бути розумнішими». Зверніться до Kim C, Bui JC, Luo X та інших. Індивідуальне мікросередовище каталізатора для електровідновлення CO2 до багатовуглецевих продуктів із використанням двошарового іономерного покриття на міді. Нац Енергія. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ця стаття відтворена з наступного матеріалу. Примітка: матеріал міг бути відредагований щодо довжини та змісту. Для отримання додаткової інформації, будь ласка, зв'яжіться з цитованим джерелом.
Час публікації: 22 листопада 2021 р
