Заповніть форму нижче, і ми надішлемо вам електронною поштою PDF-версію статті «Нові технологічні вдосконалення для перетворення вуглекислого газу на рідке паливо».
Вуглекислий газ (CO2) – це продукт спалювання викопного палива та найпоширеніший парниковий газ, який можна перетворити назад на корисне паливо сталим способом. Одним із перспективних способів перетворення викидів CO2 на паливну сировину є процес, який називається електрохімічним відновленням. Але щоб бути комерційно життєздатним, цей процес необхідно вдосконалити, щоб вибирати або виробляти більше бажаних продуктів, багатих на вуглець. Як повідомляється в журналі Nature Energy, Національна лабораторія імені Лоуренса в Берклі (Berkeley Lab) розробила новий метод покращення поверхні мідного каталізатора, що використовується для допоміжної реакції, тим самим підвищуючи селективність процесу.
«Хоча ми знаємо, що мідь є найкращим каталізатором для цієї реакції, вона не забезпечує високої селективності для цільового продукту», — сказав Алексіс, старший науковий співробітник кафедри хімічних наук лабораторії Берклі та професор хімічної інженерії Каліфорнійського університету в Берклі. Спелл сказав: «Наша команда виявила, що можна використовувати локальне середовище каталізатора для різних хитрощів, щоб забезпечити таку селективність».
У попередніх дослідженнях дослідники встановили точні умови для забезпечення найкращого електричного та хімічного середовища для створення продуктів, багатих на вуглець, з комерційною цінністю. Але ці умови суперечать умовам, які природним чином виникають у типових паливних елементах, що використовують провідні матеріали на водній основі.
Щоб визначити конструкцію, яку можна використовувати у водному середовищі паливних елементів, в рамках проекту Центру енергетичних інновацій Альянсу рідкого сонячного світла Міністерства енергетики, Белл та його команда звернулися до тонкого шару іономеру, який пропускає певні заряджені молекули (іони), виключаючи інші іони. Завдяки своїм високоселективним хімічним властивостям вони особливо підходять для сильного впливу на мікросередовище.
Чанйон Кім, постдокторант групи Bell та перший автор статті, запропонував покривати поверхню мідних каталізаторів двома поширеними іономерами – Nafion та Sustainion. Команда висунула гіпотезу, що це має змінити середовище поблизу каталізатора, включаючи pH та кількість води та вуглекислого газу, певним чином спрямуючи реакцію на отримання багатих на вуглець продуктів, які можна легко перетворити на корисні хімічні речовини, продукти та рідке паливо.
Дослідники нанесли тонкий шар кожного іономеру та подвійний шар двох іономерів на мідну плівку, що підтримується полімерним матеріалом, щоб сформувати плівку, яку вони могли вставити біля одного кінця електрохімічної комірки у формі руки. Під час введення вуглекислого газу в батарею та подачі напруги вони вимірювали загальний струм, що протікає через неї. Потім вони вимірювали газ і рідину, що збиралися в сусідньому резервуарі під час реакції. У випадку з двома шарами вони виявили, що продукти, багаті на вуглець, становили 80% енергії, споживаної реакцією, — більше, ніж 60% у випадку без покриття.
«Це сендвіч-покриття забезпечує найкраще з обох світів: високу селективність продукту та високу активність», – сказав Белл. Двошарова поверхня не тільки добре підходить для продуктів, багатих на вуглець, але й одночасно генерує сильний струм, що свідчить про збільшення активності.
Дослідники дійшли висновку, що покращена реакція була результатом високої концентрації CO2, накопиченої в покритті безпосередньо на міді. Крім того, негативно заряджені молекули, що накопичуються в області між двома іономерами, призведуть до зниження локальної кислотності. Ця комбінація компенсує компроміси концентрації, 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 ще одного методу підвищення рівня CO2 та pH: імпульсної напруги. Застосовуючи імпульсну напругу до двошарового іономерного покриття, дослідники досягли 250% збільшення кількості продуктів, багатих на вуглець, порівняно з непокритою міддю та статичною напругою.
Хоча деякі дослідники зосереджують свою роботу на розробці нових каталізаторів, відкриття каталізатора не враховує робочих умов. Контроль середовища на поверхні каталізатора – це новий та незвичний метод.
«Ми не винайшли абсолютно нового каталізатора, а використали наше розуміння кінетики реакцій і використали ці знання, щоб допомогти нам роздумати про те, як змінити середовище місця розташування каталізатора», — сказав Адам Вебер, старший інженер, вчений у галузі енергетичних технологій у лабораторіях Берклі та співавтор статей.
Наступним кроком є розширення виробництва покритих каталізаторів. Попередні експерименти команди лабораторії Берклі включали невеликі плоскі модельні системи, які були набагато простішими, ніж пористі структури великої площі, необхідні для комерційного застосування. «Нанести покриття на плоску поверхню нескладно. Але комерційні методи можуть включати покриття крихітних мідних кульок», – сказав Белл. Додавання другого шару покриття стає складним завданням. Одна з можливостей – змішати та нанести два покриття разом у розчинник і сподіватися, що вони розділяться, коли розчинник випарується. Що, якщо цього не станеться? Белл підсумував: «Нам просто потрібно бути розумнішими». Див. Кім К., Буй Дж. К., Луо Х. та інші. Індивідуальне мікросередовище каталізатора для електровідновлення CO2 до багатовуглецевих продуктів з використанням двошарового іономерного покриття на міді. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ця стаття відтворена з наступного матеріалу. Примітка: Матеріал міг бути відредагований за довжиною та змістом. Для отримання додаткової інформації, будь ласка, зверніться до цитованого джерела.
Час публікації: 22 листопада 2021 р.
