Udfyld formularen nedenfor, så sender vi dig PDF-versionen af "Nye teknologiske forbedringer til at omdanne kuldioxid til flydende brændstof" via e-mail.
Kuldioxid (CO2) er et produkt fra afbrænding af fossile brændstoffer og den mest almindelige drivhusgas, som kan omdannes tilbage til nyttige brændstoffer på en bæredygtig måde. En lovende måde at omdanne CO2-udledning til brændstofråmateriale er en proces kaldet elektrokemisk reduktion. Men for at være kommercielt levedygtig skal processen forbedres for at udvælge eller producere flere ønskede kulstofrige produkter. Nu, som rapporteret i tidsskriftet Nature Energy, har Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) udviklet en ny metode til at forbedre overfladen af den kobberkatalysator, der bruges til hjælpereaktionen, og derved øge processens selektivitet.
"Selvom vi ved, at kobber er den bedste katalysator til denne reaktion, giver det ikke høj selektivitet for det ønskede produkt," sagde Alexis, seniorforsker ved Institut for Kemiske Videnskaber ved Berkeley Lab og professor i kemiteknik ved University of California, Berkeley. Spell sagde: "Vores team fandt ud af, at man kan bruge katalysatorens lokale miljø til at udføre forskellige tricks for at opnå denne form for selektivitet."
I tidligere studier har forskere etableret præcise betingelser for at give det bedste elektriske og kemiske miljø til at skabe kulstofrige produkter med kommerciel værdi. Men disse betingelser er i modstrid med de betingelser, der naturligt forekommer i typiske brændselsceller, der bruger vandbaserede ledende materialer.
For at bestemme det design, der kan bruges i brændselscelle-vandmiljøet, som en del af Energy Innovation Center-projektet under Energiministeriets Liquid Sunshine Alliance, anvendte Bell og hans team et tyndt lag ionomer, som tillader visse ladede molekyler (ioner) at passere igennem. Udelukker andre ioner. På grund af deres meget selektive kemiske egenskaber er de særligt velegnede til at have en stærk indflydelse på mikromiljøet.
Chanyeon Kim, en postdoc i Bell-gruppen og førsteforfatter af artiklen, foreslog at belægge overfladen af kobberkatalysatorer med to almindelige ionomerer, Nafion og Sustainion. Holdet fremsatte hypotesen om, at dette skulle ændre miljøet nær katalysatoren – herunder pH-værdien og mængden af vand og kuldioxid – på en eller anden måde for at styre reaktionen, så den producerer kulstofrige produkter, der let kan omdannes til nyttige kemikalier. Produkter og flydende brændstoffer.
Forskerne påførte et tyndt lag af hver ionomer og et dobbelt lag af to ionomerer på en kobberfilm understøttet af et polymermateriale for at danne en film, som de kunne indsætte nær den ene ende af en håndformet elektrokemisk celle. Da de injicerede kuldioxid i batteriet og påførte spænding, målte de den samlede strøm, der flydede gennem batteriet. Derefter målte de den gas og væske, der blev opsamlet i det tilstødende reservoir under reaktionen. I tilfældet med to lag fandt de, at kulstofrige produkter tegnede sig for 80 % af den energi, der blev forbrugt af reaktionen – højere end 60 % i tilfældet med ubelagte materialer.
"Denne sandwichbelægning giver det bedste fra begge verdener: høj produktselektivitet og høj aktivitet," sagde Bell. Den dobbeltlagede overflade er ikke kun god til kulstofrige produkter, men genererer også samtidig en stærk strøm, hvilket indikerer en stigning i aktiviteten.
Forskerne konkluderede, at den forbedrede respons skyldtes den høje CO2-koncentration, der var akkumuleret i belægningen direkte oven på kobberet. Derudover vil negativt ladede molekyler, der akkumuleres i området mellem de to ionomerer, producere lavere lokal surhedsgrad. Denne kombination opvejer de koncentrationsafvejninger, der har tendens til at forekomme i fravær af ionomerfilm.
For yderligere at forbedre reaktionens effektivitet, vendte forskerne sig mod en tidligere gennemprøvet teknologi, der ikke kræver en ionomerfilm, som en anden metode til at øge CO2 og pH: pulseret spænding. Ved at påføre pulseret spænding på den dobbeltlagede ionomerbelægning opnåede forskerne en stigning på 250% i kulstofrige produkter sammenlignet med ubelagt kobber og statisk spænding.
Selvom nogle forskere fokuserer deres arbejde på udviklingen af nye katalysatorer, tager opdagelsen af katalysatoren ikke højde for driftsforholdene. Kontrol af miljøet på katalysatoroverfladen er en ny og anderledes metode.
"Vi fandt ikke på en helt ny katalysator, men brugte vores forståelse af reaktionskinetik og denne viden til at vejlede os i at tænke over, hvordan vi kan ændre miljøet på katalysatorstedet," sagde Adam Weber, senioringeniør, forsker inden for energiteknologi ved Berkeley Laboratories og medforfatter til artiklerne.
Det næste skridt er at udvide produktionen af coatede katalysatorer. Berkeley Lab-teamets indledende eksperimenter involverede små, flade modelsystemer, som var meget enklere end de store porøse strukturer, der kræves til kommercielle anvendelser. "Det er ikke svært at påføre en coating på en plan overflade. Men kommercielle metoder kan involvere coating af små kobberkugler," sagde Bell. Det bliver udfordrende at tilføje et andet lag coating. En mulighed er at blande og aflejre de to coatinger sammen i et opløsningsmiddel og håbe, at de adskiller sig, når opløsningsmidlet fordamper. Hvad hvis de ikke gør det? Bell konkluderede: "Vi skal bare være klogere." Se Kim C, Bui JC, Luo X og andre. Tilpasset katalysatormikromiljø til elektroreduktion af CO2 til multi-carbonprodukter ved hjælp af dobbeltlagsionomercoating på kobber. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Denne artikel er gengivet fra følgende materiale. Bemærk: Materialet kan være blevet redigeret med hensyn til længde og indhold. For yderligere information, kontakt venligst den citerede kilde.
Opslagstidspunkt: 22. november 2021
