Συμπληρώστε την παρακάτω φόρμα και θα σας στείλουμε μέσω email την έκδοση PDF του "Νέες τεχνολογικές βελτιώσεις για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε υγρό καύσιμο"
Το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) είναι το προϊόν της καύσης ορυκτών καυσίμων και το πιο συνηθισμένο αέριο του θερμοκηπίου, το οποίο μπορεί να μετατραπεί ξανά σε χρήσιμα καύσιμα με βιώσιμο τρόπο. Ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος μετατροπής των εκπομπών CO2 σε πρώτη ύλη καυσίμων είναι μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτροχημική αναγωγή. Αλλά για να είναι εμπορικά βιώσιμη, η διαδικασία πρέπει να βελτιωθεί για να επιλεγούν ή να παραχθούν περισσότερα επιθυμητά προϊόντα πλούσια σε άνθρακα. Τώρα, όπως αναφέρεται στο περιοδικό Nature Energy, το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) έχει αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τη βελτίωση της επιφάνειας του καταλύτη χαλκού που χρησιμοποιείται για την βοηθητική αντίδραση, αυξάνοντας έτσι την επιλεκτικότητα της διαδικασίας.
«Παρόλο που γνωρίζουμε ότι ο χαλκός είναι ο καλύτερος καταλύτης για αυτήν την αντίδραση, δεν παρέχει υψηλή επιλεκτικότητα για το επιθυμητό προϊόν», δήλωσε ο Alexis, ανώτερος επιστήμονας στο Τμήμα Χημικών Επιστημών στο Εργαστήριο Berkeley και καθηγητής χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Berkeley. Ο Spell δήλωσε: «Η ομάδα μας διαπίστωσε ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το τοπικό περιβάλλον του καταλύτη για να κάνετε διάφορα κόλπα για να παρέχετε αυτό το είδος επιλεκτικότητας».
Σε προηγούμενες μελέτες, οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει ακριβείς συνθήκες για να παρέχουν το καλύτερο ηλεκτρικό και χημικό περιβάλλον για τη δημιουργία προϊόντων πλούσιων σε άνθρακα με εμπορική αξία. Ωστόσο, αυτές οι συνθήκες είναι αντίθετες με τις συνθήκες που εμφανίζονται φυσικά σε τυπικές κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν αγώγιμα υλικά με βάση το νερό.
Προκειμένου να προσδιοριστεί ο σχεδιασμός που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο υδάτινο περιβάλλον των κυψελών καυσίμου, στο πλαίσιο του έργου του Κέντρου Καινοτομίας Ενέργειας της Συμμαχίας Υγρού Ηλιοφάνειας του Υπουργείου Ενέργειας, ο Bell και η ομάδα του στράφηκαν σε ένα λεπτό στρώμα ιοντομερούς, το οποίο επιτρέπει σε ορισμένα φορτισμένα μόρια (ιόντα) να διέρχονται. Εξαιρούνται άλλα ιόντα. Λόγω των εξαιρετικά επιλεκτικών χημικών ιδιοτήτων τους, είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για να έχουν ισχυρή επίδραση στο μικροπεριβάλλον.
Ο Chanyeon Kim, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα Bell και πρώτος συγγραφέας της εργασίας, πρότεινε την επικάλυψη της επιφάνειας των καταλυτών χαλκού με δύο κοινά ιοντομερή, το Nafion και το Sustainion. Η ομάδα υπέθεσε ότι κάτι τέτοιο θα έπρεπε να αλλάξει το περιβάλλον κοντά στον καταλύτη -συμπεριλαμβανομένου του pH και της ποσότητας νερού και διοξειδίου του άνθρακα- με κάποιο τρόπο, ώστε να κατευθύνει την αντίδραση στην παραγωγή προϊόντων πλούσιων σε άνθρακα που μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε χρήσιμες χημικές ουσίες. Προϊόντα και υγρά καύσιμα.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα λεπτό στρώμα από κάθε ιοντομερές και ένα διπλό στρώμα από δύο ιοντομερή σε μια μεμβράνη χαλκού που υποστηριζόταν από ένα πολυμερές υλικό για να σχηματίσουν μια μεμβράνη, την οποία μπόρεσαν να εισάγουν κοντά στο ένα άκρο ενός χειροποίητου ηλεκτροχημικού στοιχείου. Κατά την έγχυση διοξειδίου του άνθρακα στην μπαταρία και την εφαρμογή τάσης, μέτρησαν το συνολικό ρεύμα που ρέει μέσω της μπαταρίας. Στη συνέχεια, μέτρησαν το αέριο και το υγρό που συλλέχθηκαν στην παρακείμενη δεξαμενή κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Για την περίπτωση των δύο στρωμάτων, διαπίστωσαν ότι τα προϊόντα πλούσια σε άνθρακα αντιπροσώπευαν το 80% της ενέργειας που καταναλώνεται από την αντίδραση - υψηλότερο από 60% στην περίπτωση χωρίς επικάλυψη.
«Αυτή η επίστρωση σάντουιτς παρέχει τα καλύτερα και των δύο κόσμων: υψηλή επιλεκτικότητα προϊόντος και υψηλή δραστικότητα», δήλωσε ο Bell. Η επιφάνεια διπλής στρώσης δεν είναι μόνο καλή για προϊόντα πλούσια σε άνθρακα, αλλά παράγει ταυτόχρονα ισχυρό ρεύμα, υποδεικνύοντας αύξηση της δραστικότητας.
Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η βελτιωμένη απόκριση ήταν αποτέλεσμα της υψηλής συγκέντρωσης CO2 που συσσωρεύτηκε στην επίστρωση απευθείας πάνω από τον χαλκό. Επιπλέον, τα αρνητικά φορτισμένα μόρια που συσσωρεύονται στην περιοχή μεταξύ των δύο ιοντομερών θα παράγουν χαμηλότερη τοπική οξύτητα. Αυτός ο συνδυασμός αντισταθμίζει τις αντισταθμίσεις συγκέντρωσης που τείνουν να συμβαίνουν απουσία ιοντομερών μεμβρανών.
Προκειμένου να βελτιώσουν περαιτέρω την αποτελεσματικότητα της αντίδρασης, οι ερευνητές στράφηκαν σε μια προηγουμένως αποδεδειγμένη τεχνολογία που δεν απαιτεί μεμβράνη ιοντομερούς ως μια άλλη μέθοδο για την αύξηση του CO2 και του pH: παλμική τάση. Εφαρμόζοντας παλμική τάση στην επίστρωση διπλού στρώματος ιοντομερούς, οι ερευνητές πέτυχαν αύξηση 250% στα προϊόντα πλούσια σε άνθρακα σε σύγκριση με τον μη επικαλυμμένο χαλκό και τη στατική τάση.
Παρόλο που ορισμένοι ερευνητές επικεντρώνουν την εργασία τους στην ανάπτυξη νέων καταλυτών, η ανακάλυψη του καταλύτη δεν λαμβάνει υπόψη τις συνθήκες λειτουργίας. Ο έλεγχος του περιβάλλοντος στην επιφάνεια του καταλύτη είναι μια νέα και διαφορετική μέθοδος.
«Δεν επινοήσαμε έναν εντελώς νέο καταλύτη, αλλά χρησιμοποιήσαμε την κατανόησή μας για την κινητική των αντιδράσεων και χρησιμοποιήσαμε αυτή τη γνώση για να μας καθοδηγήσει στον τρόπο σκέψης σχετικά με το πώς να αλλάξουμε το περιβάλλον της τοποθεσίας του καταλύτη», δήλωσε ο Άνταμ Βέμπερ, ανώτερος μηχανικός. Επιστήμονες στον τομέα της ενεργειακής τεχνολογίας στα Εργαστήρια Μπέρκλεϋ και συν-συγγραφέας άρθρων.
Το επόμενο βήμα είναι η επέκταση της παραγωγής επικαλυμμένων καταλυτών. Τα προκαταρκτικά πειράματα της ομάδας του Εργαστηρίου Berkeley περιελάμβαναν μικρά επίπεδα συστήματα μοντέλων, τα οποία ήταν πολύ απλούστερα από τις πορώδεις δομές μεγάλης επιφάνειας που απαιτούνται για εμπορικές εφαρμογές. «Δεν είναι δύσκολο να εφαρμοστεί μια επίστρωση σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αλλά οι εμπορικές μέθοδοι μπορεί να περιλαμβάνουν την επικάλυψη μικροσκοπικών σφαιριδίων χαλκού», δήλωσε ο Bell. Η προσθήκη ενός δεύτερου στρώματος επίστρωσης καθίσταται δύσκολη. Μια πιθανότητα είναι να αναμειχθούν και να εναποτεθούν οι δύο επιστρώσεις μαζί σε έναν διαλύτη και να ελπίζουμε ότι θα διαχωριστούν όταν ο διαλύτης εξατμιστεί. Τι γίνεται αν δεν το κάνουν; Ο Bell κατέληξε στο συμπέρασμα: «Απλώς πρέπει να είμαστε πιο έξυπνοι». Ανατρέξτε στο Kim C, Bui JC, Luo X και άλλους. Προσαρμοσμένο μικροπεριβάλλον καταλύτη για ηλεκτροαναγωγή του CO2 σε προϊόντα πολλαπλών ανθράκων χρησιμοποιώντας επίστρωση ιοντομερούς διπλής στρώσης σε χαλκό. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Αυτό το άρθρο αναπαράγεται από το ακόλουθο υλικό. Σημείωση: Το υλικό ενδέχεται να έχει υποστεί επεξεργασία λόγω έκτασης και περιεχομένου. Για περισσότερες πληροφορίες, επικοινωνήστε με την πηγή που αναφέρεται.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Νοεμβρίου 2021
