Udfyld formularen nedenfor, og vi sender dig en e-mail med PDF-versionen af "Nye teknologiforbedringer til at konvertere kuldioxid til flydende brændstof"
Kuldioxid (CO2) er et produkt af 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-emissioner til brændstofråvarer er en proces kaldet elektrokemisk reduktion. Men for at være kommercielt levedygtig, skal processen forbedres for at vælge eller producere mere 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 kobberkatalysatoren, der bruges til hjælpereaktionen, og derved øge processens selektivitet.
"Selvom vi ved, at kobber er den bedste katalysator for denne reaktion, giver det ikke høj selektivitet for det ønskede produkt," sagde Alexis, seniorforsker ved Institut for Kemividenskab ved Berkeley Lab og professor i kemiteknik ved universitetet fra Californien, Berkeley. Sagde Spell. "Vores team fandt ud af, at du kan bruge katalysatorens lokale miljø til at lave forskellige tricks for at give denne form for selektivitet."
I tidligere undersøgelser har forskere etableret præcise betingelser for at give det bedste elektriske og kemiske miljø til at skabe kulstofrige produkter med kommerciel værdi. Men disse forhold er i modstrid med de forhold, der naturligt forekommer i typiske brændselsceller, der bruger vandbaserede ledende materialer.
For at bestemme det design, der kan bruges i brændselscellevandmiljøet, som en del af Energy Innovation Center-projektet under Energiministeriets Liquid Sunshine Alliance, vendte Bell og hans team sig til et tyndt lag ionomer, som tillader visse ladede molekyler (ioner) til at passere igennem. Udeluk andre ioner. På grund af deres meget selektive kemiske egenskaber er de særligt velegnede til at have en stærk indvirkning på mikromiljøet.
Chanyeon Kim, en postdoc-forsker i Bell-gruppen og den første forfatter af papiret, foreslog at belægge overfladen af kobberkatalysatorer med to almindelige ionomerer, Nafion og Sustainion. Holdet antog, at det ville ændre miljøet i nærheden af katalysatoren - inklusive pH og mængden af vand og kuldioxid - på en eller anden måde for at styre reaktionen til at producere kulstofrige produkter, der let kan omdannes til nyttige kemikalier. Produkter og flydende brændstoffer.
Forskerne påførte et tyndt lag af hver ionomer og et dobbeltlag 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. Når de sprøjtede kuldioxid ind i batteriet og påførte spænding, målte de den samlede strøm, der strømmer gennem batteriet. Derefter målte de gassen og væsken opsamlet i det tilstødende reservoir under reaktionen. For to-lags sagen fandt de, at kulstofrige produkter tegnede sig for 80% af den energi, der forbruges af reaktionen - højere end 60% i det ubelagte tilfælde.
"Denne sandwichbelægning giver det bedste fra begge verdener: høj produktselektivitet og høj aktivitet," sagde Bell. Dobbeltlagsoverfladen er ikke kun god til kulstofrige produkter, men genererer også en stærk strøm på samme tid, hvilket indikerer en stigning i aktiviteten.
Forskerne konkluderede, at den forbedrede respons var resultatet af 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 effektiviteten af reaktionen vendte forskerne sig til en tidligere bevist teknologi, der ikke kræver en ionomerfilm som en anden metode til at øge CO2 og pH: pulserende spænding. Ved at anvende pulserende spænding på dobbeltlags ionomerbelægningen 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 driftsforhold. Kontrol af miljøet på katalysatoroverfladen er en ny og anderledes metode.
"Vi kom ikke med en helt ny katalysator, men brugte vores forståelse af reaktionskinetik og brugte denne viden til at vejlede os i at tænke på, hvordan vi kan ændre miljøet på katalysatorstedet," sagde Adam Weber, en senioringeniør. Forskere inden for energiteknologi ved Berkeley Laboratories og medforfatter af artikler.
Det næste skridt er at udvide produktionen af coatede katalysatorer. Berkeley Lab-holdets foreløbige eksperimenter involverede små flade modelsystemer, som var meget enklere end de store porøse strukturer, der kræves til kommercielle applikationer. ”Det er ikke svært at påføre en belægning på en flad overflade. Men kommercielle metoder kan involvere belægning af små kobberkugler," sagde Bell. Tilføjelse af et andet lag belægning bliver udfordrende. En mulighed er at blande og deponere de to belægninger sammen i et opløsningsmiddel og håbe på, at de skilles, 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. Skræddersyet katalysatormikromiljø til elektroreduktion af CO2 til multikulstofprodukter ved hjælp af dobbeltlags ionomerbelægning på kobber. Nat Energi. 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 for længde og indhold. For mere information, kontakt venligst den citerede kilde.
Indlægstid: 22. november 2021
