Töltse ki az alábbi űrlapot, és e-mailben elküldjük Önnek az „Új technológiai fejlesztések a szén-dioxid folyékony üzemanyaggá alakítására” című dokumentum PDF-verzióját.
A szén-dioxid (CO2) a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének terméke és a leggyakoribb üvegházhatású gáz, amely fenntartható módon visszaalakítható hasznos üzemanyaggá. A CO2-kibocsátás üzemanyag-alapanyaggá alakításának egyik ígéretes módja az elektrokémiai redukciónak nevezett folyamat. Ahhoz azonban, hogy kereskedelmi szempontból életképes legyen, a folyamatot tovább kell fejleszteni, hogy több kívánt szénben gazdag terméket lehessen kiválasztani vagy előállítani. A Nature Energy folyóiratban megjelent beszámoló szerint a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium (Berkeley Lab) új módszert fejlesztett ki a segédreakcióhoz használt rézkatalizátor felületének javítására, ezáltal növelve az eljárás szelektivitását.
„Bár tudjuk, hogy a réz a legjobb katalizátor ehhez a reakcióhoz, nem biztosít nagy szelektivitást a kívánt termékhez” – mondta Alexis, a Berkeley Laboratórium Kémiai Tudományok Tanszékének vezető tudósa és a Kaliforniai Egyetem, Berkeley vegyészmérnöki professzora. Spell elmondta: „Csapatunk felfedezte, hogy a katalizátor helyi környezetét különféle trükkökkel lehet elérni az ilyen típusú szelektivitás biztosítása érdekében.”
Korábbi tanulmányokban a kutatók pontos feltételeket állapítottak meg a kereskedelmi értékkel bíró, szénben gazdag termékek előállításához a legjobb elektromos és kémiai környezet biztosítása érdekében. Ezek a feltételek azonban ellentétesek a víz alapú vezetőképes anyagokat használó tipikus üzemanyagcellákban természetesen előforduló feltételekkel.
Az Energiaügyi Minisztérium Liquid Sunshine Alliance Energia Innovációs Központ projektjének részeként Bell és csapata egy vékony ionomer réteghez fordult, amely lehetővé teszi bizonyos töltéssel rendelkező molekulák (ionok) átjutását. Más ionok kizárása. Rendkívül szelektív kémiai tulajdonságaiknak köszönhetően különösen alkalmasak arra, hogy erős hatást gyakoroljanak a mikro-környezetre.
Chanyeon Kim, a Bell csoport posztdoktori kutatója és a tanulmány első szerzője azt javasolta, hogy a rézkatalizátorok felületét két gyakori ionomerrel, Nafionnal és Sustainionnal vonják be. A csapat azt feltételezte, hogy ennek meg kellene változtatnia a katalizátor közelében lévő környezetet – beleértve a pH-értéket, valamint a víz és a szén-dioxid mennyiségét –, hogy a reakciót szénben gazdag termékek előállítására irányítsa, amelyek könnyen hasznos vegyi anyagokká alakíthatók. Termékek és folyékony üzemanyagok.
A kutatók egy vékony réteget vittek fel az egyes ionomerekből, valamint egy dupla réteget, amely két ionomerből állt, egy polimer anyaggal alátámasztott rézfilmre, így filmet képezve, amelyet egy kéz alakú elektrokémiai cella egyik végéhez közel tudtak behelyezni. Amikor szén-dioxidot injektáltak az akkumulátorba és feszültséget alkalmaztak, megmérték az akkumulátoron átfolyó teljes áramot. Ezután megmérték a reakció során a szomszédos tartályban összegyűlt gázt és folyadékot. A kétrétegű esetben azt találták, hogy a szénben gazdag termékek a reakció által fogyasztott energia 80%-át tették ki – ez magasabb volt, mint a bevonat nélküli esetben a 60% – .
„Ez a szendvicsbevonat mindkét világ legjavát nyújtja: magas termékszelektivitást és magas aktivitást” – mondta Bell. A kétrétegű felület nemcsak a szénben gazdag termékekhez jó, hanem egyidejűleg erős áramot is generál, ami az aktivitás növekedését jelzi.
A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a javuló válasz a réz tetején közvetlenül felhalmozódott bevonatban felhalmozódott magas CO2-koncentráció eredménye. Ezenkívül a két ionomer közötti régióban felhalmozódó negatív töltésű molekulák alacsonyabb helyi savasságot eredményeznek. Ez a kombináció ellensúlyozza az ionomer filmek hiányában általában fellépő koncentrációs kompromisszumokat.
A reakció hatékonyságának további javítása érdekében a kutatók egy korábban bevált, ionomer filmet nem igénylő technológiához fordultak a CO2 és a pH növelésének másik módszereként: az impulzusfeszültséghez. Azáltal, hogy impulzusfeszültséget alkalmaztak a kétrétegű ionomer bevonaton, a kutatók 250%-os növekedést értek el a szénben gazdag termékekben a bevonat nélküli rézhez és a statikus feszültséghez képest.
Bár egyes kutatók új katalizátorok fejlesztésére összpontosítják munkájukat, a katalizátor felfedezése nem veszi figyelembe a működési körülményeket. A katalizátor felületén lévő környezet szabályozása egy új és eltérő módszer.
„Nem egy teljesen új katalizátorral álltunk elő, hanem a reakciókinetikáról szerzett ismereteinket használtuk fel arra, hogy átgondoljuk, hogyan változtathatjuk meg a katalizátor helyszínének környezetét” – mondta Adam Weber, a Berkeley Laboratories energiatechnológiai tudósa és a tanulmányok társszerzője.
A következő lépés a bevonatos katalizátorok gyártásának bővítése. A Berkeley Lab csapata előzetes kísérletei kis, lapos modellrendszereket érintettek, amelyek sokkal egyszerűbbek voltak, mint a kereskedelmi alkalmazásokhoz szükséges nagy felületű porózus szerkezetek. „Nem nehéz bevonatot felvinni egy sík felületre. De a kereskedelmi módszerek magukban foglalhatják apró rézgolyók bevonását” – mondta Bell. Egy második bevonatréteg hozzáadása kihívást jelent. Az egyik lehetőség az, hogy a két bevonatot összekeverjük és oldószerben lerakjuk, és reménykedünk, hogy az oldószer elpárolgása után elválnak. Mi van, ha nem? Bell így következtetésre jutott: „Csak okosabbaknak kell lennünk.” Lásd Kim C, Bui JC, Luo X és mások. Testreszabott katalizátor mikrokörnyezet CO2 elektroredukciójához több széntartalmú termékekké kettős rétegű ionomer bevonattal rézre. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ez a cikk a következő anyagból származik. Megjegyzés: Az anyag terjedelme és tartalma szerkesztve lehet. További információért kérjük, vegye fel a kapcsolatot a hivatkozott forrással.
Közzététel ideje: 2021. november 22.
