Συμπληρώστε την παρακάτω φόρμα και θα σας στείλουμε με 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 του πιο συνηθισμένου αερίου θερμοκηπίου, το οποίο μπορεί να μετατραπεί ξανά σε χρήσιμα καύσιμα με βιώσιμο τρόπο. Ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος μετατροπής των εκπομπών CO2 σε πρώτη ύλη καυσίμου είναι μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτροχημική μείωση. Αλλά για να είναι εμπορικά βιώσιμη, η διαδικασία πρέπει να βελτιωθεί για να επιλεγούν ή να παραχθούν πιο επιθυμητά προϊόντα πλούσια σε άνθρακα. Τώρα, όπως αναφέρεται στο περιοδικό Nature Energy, το Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) έχει αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τη βελτίωση της επιφάνειας του καταλύτη χαλκού που χρησιμοποιείται για τη βοηθητική αντίδραση, αυξάνοντας έτσι την επιλεκτικότητα της διαδικασίας.
«Αν και γνωρίζουμε ότι ο χαλκός είναι ο καλύτερος καταλύτης για αυτήν την αντίδραση, δεν παρέχει υψηλή επιλεκτικότητα για το επιθυμητό προϊόν», δήλωσε ο Αλέξης, ανώτερος επιστήμονας στο Τμήμα Χημικών Επιστημών στο Berkeley Lab και καθηγητής χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο. Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ. Είπε το ξόρκι. "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. Αλλά 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 περιβάλλον νερού κυψελών καυσίμου, ως μέρος του έργου Energy Innovation Center του Liquid Sunshine Alliance του Υπουργείου Ενέργειας, ο Bell και η ομάδα του στράφηκαν σε ένα λεπτό στρώμα ιοντομερούς, το οποίο επιτρέπει ορισμένα φορτισμένα μόρια (ιόντα) για να περάσουν. Εξαιρέστε άλλα ιόντα. Λόγω των εξαιρετικά εκλεκτικών χημικών ιδιοτήτων τους, είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για να έχουν ισχυρό αντίκτυπο στο μικροπεριβάλλον.
Ο Chanyeon Kim, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα Bell και ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας, πρότεινε να επικαλυφθεί η επιφάνεια των καταλυτών χαλκού με δύο κοινά ιοντομερή, το Nafion και το Sustainion. Η ομάδα υπέθεσε ότι κάτι τέτοιο θα πρέπει να αλλάξει το περιβάλλον κοντά στον καταλύτη - συμπεριλαμβανομένου του pH και της ποσότητας νερού και διοξειδίου του άνθρακα - με κάποιο τρόπο για να κατευθύνει την αντίδραση στην παραγωγή προϊόντων πλούσια σε άνθρακα που μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε χρήσιμες χημικές ουσίες. Προϊόντα και υγρά καύσιμα.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα λεπτό στρώμα από κάθε ιονομερές και ένα διπλό στρώμα δύο ιονομερών σε ένα φιλμ χαλκού που υποστηρίζεται από ένα πολυμερές υλικό για να σχηματίσουν ένα φιλμ, το οποίο θα μπορούσαν να εισάγουν κοντά στο ένα άκρο ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου σε σχήμα χειρός. Κατά την έγχυση διοξειδίου του άνθρακα στην μπαταρία και την εφαρμογή τάσης, μέτρησαν το συνολικό ρεύμα που διαρρέει την μπαταρία. Στη συνέχεια μέτρησαν το αέριο και το υγρό που συλλέχθηκαν στη διπλανή δεξαμενή κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Για την περίπτωση των δύο στρωμάτων, βρήκαν ότι τα πλούσια σε άνθρακα προϊόντα αντιπροσώπευαν το 80% της ενέργειας που καταναλώθηκε από την αντίδραση - πάνω από το 60% στην μη επικαλυμμένη θήκη.
«Αυτή η επίστρωση σάντουιτς παρέχει το καλύτερο και των δύο κόσμων: υψηλή επιλεκτικότητα προϊόντος και υψηλή δραστηριότητα», είπε ο Bell. Η επιφάνεια διπλής στρώσης δεν είναι μόνο καλή για προϊόντα πλούσια σε άνθρακα, αλλά παράγει επίσης ισχυρό ρεύμα ταυτόχρονα, υποδηλώνοντας αύξηση της δραστηριότητας.
Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η βελτιωμένη απόκριση ήταν το αποτέλεσμα της υψηλής συγκέντρωσης CO2 που συσσωρεύτηκε στην επικάλυψη ακριβώς πάνω από τον χαλκό. Επιπλέον, αρνητικά φορτισμένα μόρια που συσσωρεύονται στην περιοχή μεταξύ των δύο ιονομερών θα παράγουν χαμηλότερη τοπική οξύτητα. Αυτός ο συνδυασμός αντισταθμίζει τις ανταλλαγές συγκέντρωσης που τείνουν να συμβαίνουν απουσία φιλμ ιοντομερών.
Προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η αποτελεσματικότητα της αντίδρασης, οι ερευνητές στράφηκαν σε μια προηγουμένως αποδεδειγμένη τεχνολογία που δεν απαιτεί φιλμ ιοντομερούς ως μια άλλη μέθοδο για την αύξηση του CO2 και του pH: παλμική τάση. Εφαρμόζοντας παλμική τάση στην επικάλυψη ιοντομερούς διπλής στρώσης, οι ερευνητές πέτυχαν αύξηση 250% στα προϊόντα πλούσια σε άνθρακα σε σύγκριση με τον μη επικαλυμμένο χαλκό και τη στατική τάση.
Αν και ορισμένοι ερευνητές επικεντρώνουν το έργο 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 καταλήξαμε σε έναν εντελώς νέο καταλύτη, αλλά χρησιμοποιήσαμε την κατανόησή μας για την κινητική αντίδρασης και χρησιμοποιήσαμε αυτή τη γνώση για να μας καθοδηγήσει στο να σκεφτούμε πώς να αλλάξουμε το περιβάλλον της τοποθεσίας του καταλύτη», δήλωσε ο Adam Weber, ανώτερος μηχανικός. Επιστήμονες στον τομέα της ενεργειακής τεχνολογίας στο Berkeley Laboratories και συν-συγγραφέας εργασιών.
Το επόμενο βήμα είναι η επέκταση της παραγωγής επικαλυμμένων καταλυτών. Τα προκαταρκτικά πειράματα της ομάδας του Berkeley Lab αφορούσαν μικρά επίπεδα συστήματα μοντέλων, τα οποία ήταν πολύ πιο απλά από τις πορώδεις δομές μεγάλης περιοχής που απαιτούνται για εμπορικές εφαρμογές. «Δεν είναι δύσκολο να εφαρμόσεις μια επίστρωση σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αλλά οι εμπορικές μέθοδοι μπορεί να περιλαμβάνουν την επίστρωση μικροσκοπικών χάλκινων σφαιρών», είπε ο Bell. Η προσθήκη ενός δεύτερου στρώματος επίστρωσης γίνεται δύσκολη. Μια πιθανότητα είναι να αναμειχθούν και να εναποτεθούν οι δύο επικαλύψεις μαζί σε έναν διαλύτη και να ελπίζουμε ότι θα διαχωριστούν όταν ο διαλύτης εξατμιστεί. Κι αν δεν το κάνουν; Ο Bell κατέληξε: «Απλώς πρέπει να είμαστε πιο έξυπνοι». Ανατρέξτε στους Kim C, Bui JC, Luo X και άλλους. Εξατομικευμένο μικροπεριβάλλον καταλύτη για ηλεκτροαναγωγή του CO2 σε προϊόντα πολλαπλών ανθρακούχων εκπομπών χρησιμοποιώντας επίστρωση ιοντομερών διπλής στρώσης σε χαλκό. Nat Energy. 2021; 6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Αυτό το άρθρο αναπαράγεται από το παρακάτω υλικό. Σημείωση: Το υλικό μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για το μήκος και το περιεχόμενο. Για περισσότερες πληροφορίες, επικοινωνήστε με την αναφερόμενη πηγή.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-22-2021
