Popunite donji obrazac i poslat ćemo vam e-poštom PDF verziju dokumenta „Nova tehnološka poboljšanja za pretvaranje ugljičnog dioksida u tekuće gorivo“.
Ugljikov dioksid (CO2) je proizvod sagorijevanja fosilnih goriva i najčešći staklenički plin, koji se na održiv način može pretvoriti natrag u korisna goriva. Jedan obećavajući način pretvaranja emisija CO2 u sirovinu za gorivo je proces koji se naziva elektrokemijska redukcija. Ali da bi bio komercijalno održiv, proces je potrebno poboljšati kako bi se odabrali ili proizveli poželjniji proizvodi bogati ugljikom. Sada, kako je objavljeno u časopisu Nature Energy, Nacionalna laboratorija Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) razvila je novu metodu za poboljšanje površine bakrenog katalizatora koji se koristi za pomoćnu reakciju, čime se povećava selektivnost procesa.
„Iako znamo da je bakar najbolji katalizator za ovu reakciju, on ne pruža visoku selektivnost za željeni proizvod“, rekao je Alexis, viši naučnik na Odsjeku za hemijske nauke u Berkeley Labu i profesor hemijskog inženjerstva na Univerzitetu Kalifornija, Berkeley. Spell je rekao. „Naš tim je otkrio da se lokalno okruženje katalizatora može koristiti za razne trikove kako bi se obezbijedila ova vrsta selektivnosti.“
U prethodnim studijama, istraživači su uspostavili precizne uslove kako bi obezbijedili najbolje električno i hemijsko okruženje za stvaranje proizvoda bogatih ugljikom sa komercijalnom vrijednošću. Ali ovi uslovi su suprotni uslovima koji se prirodno javljaju u tipičnim gorivnim ćelijama koje koriste provodljive materijale na bazi vode.
Kako bi odredili dizajn koji se može koristiti u okruženju gorivnih ćelija s vodom, kao dio projekta Centra za energetske inovacije Ministarstva energetike, Saveza za tekuće sunce (Liquid Sunshine Alliance), Bell i njegov tim su se okrenuli tankom sloju ionomera, koji omogućava prolaz određenim nabijenim molekulama (ionima), a isključuje druge ione. Zbog svojih visoko selektivnih hemijskih svojstava, posebno su pogodni za snažan utjecaj na mikrookruženje.
Chanyeon Kim, postdoktorski istraživač u Bell grupi i prvi autor rada, predložio je premazivanje površine bakrenih katalizatora s dva uobičajena ionomera, Nafionom i Sustainionom. Tim je pretpostavio da bi to trebalo promijeniti okolinu u blizini katalizatora - uključujući pH i količinu vode i ugljičnog dioksida - na neki način kako bi se reakcija usmjerila na proizvodnju proizvoda bogatih ugljikom koji se mogu lako pretvoriti u korisne hemikalije, proizvode i tekuća goriva.
Istraživači su nanijeli tanki sloj svakog ionomera i dvostruki sloj dva ionomera na bakreni film poduprt polimernim materijalom kako bi formirali film, koji su mogli umetnuti blizu jednog kraja elektrohemijske ćelije u obliku ruke. Prilikom ubrizgavanja ugljičnog dioksida u bateriju i primjene napona, mjerili su ukupnu struju koja teče kroz bateriju. Zatim su mjerili plin i tekućinu prikupljene u susjednom rezervoaru tokom reakcije. Za slučaj s dva sloja, otkrili su da proizvodi bogati ugljikom čine 80% energije potrošene u reakciji - više od 60% u slučaju bez premaza.
„Ovaj sendvič premaz pruža najbolje iz oba svijeta: visoku selektivnost proizvoda i visoku aktivnost“, rekao je Bell. Dvoslojna površina nije dobra samo za proizvode bogate ugljikom, već istovremeno generira i jaku struju, što ukazuje na povećanje aktivnosti.
Istraživači su zaključili da je poboljšani odziv rezultat visoke koncentracije CO2 akumulirane u premazu direktno na vrhu bakra. Osim toga, negativno nabijene molekule koje se akumuliraju u području između dva ionomera proizvest će nižu lokalnu kiselost. Ova kombinacija kompenzira kompromise koncentracije koji se obično javljaju u odsustvu ionomernih filmova.
Kako bi dodatno poboljšali efikasnost reakcije, istraživači su se okrenuli prethodno dokazanoj tehnologiji koja ne zahtijeva ionomerni film kao drugoj metodi za povećanje CO2 i pH vrijednosti: pulsirajući napon. Primjenom pulsirajućeg napona na dvoslojni ionomerni premaz, istraživači su postigli povećanje od 250% u proizvodima bogatim ugljikom u poređenju s neobloženim bakrom i statičkim naponom.
Iako neki istraživači fokusiraju svoj rad na razvoj novih katalizatora, otkriće katalizatora ne uzima u obzir radne uslove. Kontrolisanje okoline na površini katalizatora je nova i drugačija metoda.
„Nismo smislili potpuno novi katalizator, već smo koristili naše razumijevanje kinetike reakcija i to znanje smo koristili kao vodič u razmišljanju o tome kako promijeniti okruženje mjesta katalizatora“, rekao je Adam Weber, viši inženjer, naučnik u oblasti energetske tehnologije u Berkeley Laboratories i koautor radova.
Sljedeći korak je proširenje proizvodnje obloženih katalizatora. Preliminarni eksperimenti tima Berkeley Lab uključivali su male ravne modelne sisteme, koji su bili mnogo jednostavniji od poroznih struktura velike površine potrebnih za komercijalne primjene. „Nije teško nanijeti premaz na ravnu površinu. Ali komercijalne metode mogu uključivati premazivanje sitnih bakrenih kuglica“, rekao je Bell. Dodavanje drugog sloja premaza postaje izazovno. Jedna mogućnost je pomiješati i nanijeti dva premaza zajedno u rastvarač i nadati se da će se odvojiti kada rastvarač ispari. Šta ako se to ne dogodi? Bell je zaključio: „Samo moramo biti pametniji.“ Pogledajte Kim C, Bui JC, Luo X i druge. Prilagođeno mikrookruženje katalizatora za elektroredukciju CO2 do višeugljičnih proizvoda korištenjem dvoslojnog jonomernog premaza na bakru. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ovaj članak je reprodukovan iz sljedećeg materijala. Napomena: Materijal je možda uređen po dužini i sadržaju. Za više informacija, molimo kontaktirajte navedeni izvor.
Vrijeme objave: 22. novembar 2021.
