Töltse ki az alábbi űrlapot, és e-mailben elküldjük Önnek az „Új technológiai fejlesztések a szén-dioxid folyékony tüzelőanyaggá történő átalakításához” PDF változatát.
A szén-dioxid (CO2) a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének terméke és a leggyakoribb üvegházhatású gáz, amely fenntartható módon hasznosítható tüzelőanyaggá alakítható vissza. A CO2-kibocsátás üzemanyag-alapanyaggá alakításának egyik ígéretes módja az elektrokémiai redukciónak nevezett eljárás. De ahhoz, hogy kereskedelmileg életképes legyen, a folyamatot javítani kell a kívántabb szénben gazdag termékek kiválasztásához vagy előállításához. Most, amint arról a Nature Energy folyóirat beszámolt, a Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) új módszert fejlesztett ki a segédreakcióhoz használt rézkatalizátor felületének javítására, ezáltal növelve a folyamat szelektivitását.
"Bár tudjuk, hogy a réz a legjobb katalizátor ehhez a reakcióhoz, nem biztosít nagy szelektivitást a kívánt termékhez" - mondta Alexis, a Berkeley Lab Kémiai Tudományok Tanszékének vezető tudósa és az Egyetem vegyészmérnök professzora. Kalifornia, Berkeley. Spell mondta. „Csapatunk úgy találta, hogy a katalizátor helyi környezetének felhasználásával különféle trükköket hajthat végre az ilyen típusú szelektivitás biztosítására.”
Korábbi tanulmányaik során a kutatók pontos feltételeket határoztak meg annak érdekében, hogy a legjobb elektromos és kémiai környezetet biztosítsák a szénben gazdag, kereskedelmi értékű termékek létrehozásához. De ezek a feltételek ellentétesek azokkal a feltételekkel, amelyek a vízbázisú vezetőképes anyagokat használó tipikus üzemanyagcellákban természetesen előfordulnak.
Az üzemanyagcellás vízkörnyezetben használható konstrukció meghatározása érdekében az Energiaügyi Minisztérium Liquid Sunshine Alliance Energetikai Innovációs Központ projektjének részeként Bell és csapata egy vékony ionomerréteghez fordult, amely lehetővé teszi bizonyos töltött molekulák (ionok) áthaladnak. Más ionok kizárása. Erősen szelektív kémiai tulajdonságaik miatt különösen alkalmasak a mikrokörnyezet erős befolyásolására.
Chanyeon Kim, a Bell csoport posztdoktori kutatója és a cikk első szerzője azt javasolta, hogy a rézkatalizátorok felületét vonják be két közös ionomerrel, a Nafionnal és a Sustainionnal. A csapat feltételezése szerint ennek meg kell változtatnia a katalizátor közelében lévő környezetet – beleértve a pH-t, valamint a víz és a szén-dioxid mennyiségét –, hogy a reakciót olyan szénben gazdag termékek előállítására irányítsák, amelyek könnyen hasznosítható vegyi anyagokká alakíthatók át. Termékek és folyékony tüzelőanyagok.
A kutatók mindegyik ionomerből egy vékony réteget és két ionomerből álló kettős réteget vittek fel egy polimer anyaggal alátámasztott rézfilmre, hogy filmet alkossanak, amelyet egy kézzel formázott elektrokémiai cella egyik vége közelébe helyezhettek be. Amikor szén-dioxidot fecskendeztek az akkumulátorba és feszültséget kapcsoltak, megmérték az akkumulátoron átfolyó teljes áramot. Ezután megmérték a reakció során a szomszédos tartályban összegyűlt gázt és folyadékot. A kétrétegű eset esetében azt találták, hogy a szénben gazdag termékek adták a reakció során felhasznált energia 80%-át – ez a bevonat nélküli esetben több mint 60%.
„Ez a szendvicsbevonat mindkét világból a legjobbat nyújtja: magas termékszelektivitást és nagy aktivitást” – mondta Bell. A kétrétegű felület nemcsak a szénben gazdag termékekhez jó, hanem egyúttal erős áramot is generál, ami aktivitásnövekedést jelez.
A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a javuló válasz a közvetlenül a réz tetején lévő bevonatban felhalmozódott magas CO2-koncentráció eredménye. Ezenkívül a negatív töltésű molekulák, amelyek a két ionomer közötti régióban halmozódnak fel, alacsonyabb helyi savasságot eredményeznek. Ez a kombináció ellensúlyozza a koncentráció kompromisszumokat, amelyek ionomer filmek hiányában általában előfordulnak.
A reakció hatékonyságának további javítása érdekében a kutatók egy korábban bevált technológiához fordultak, amely nem igényel ionomer filmet, mint egy másik módszert a CO2 és a pH növelésére: az impulzusfeszültséget. A kétrétegű ionomer bevonat impulzusfeszültségének alkalmazásával a kutatók 250%-os növekedést értek el a szénben gazdag termékekben a bevonat nélküli rézhez és a statikus feszültséghez képest.
Bár egyes kutatók munkájukat új katalizátorok kifejlesztésére összpontosítják, a katalizátor felfedezése nem veszi figyelembe az üzemi körülményeket. A környezet szabályozása a katalizátor felületén új és más módszer.
„Nem egy teljesen új katalizátort találtunk ki, hanem a reakciókinetikával kapcsolatos ismereteinket használtuk, és ezt a tudást felhasználtuk arra, hogy elgondolkodjunk arról, hogyan változtassuk meg a katalizátor telephelyének környezetét” – mondta Adam Weber, vezető mérnök. A Berkeley Laboratories energiatechnológiai tudósai és tanulmányok társszerzője.
A következő lépés a bevonatos katalizátorok gyártásának bővítése. A Berkeley Lab csapatának előzetes kísérletei kis lapos modellrendszereket vontak be, amelyek sokkal egyszerűbbek voltak, mint a kereskedelmi alkalmazásokhoz szükséges nagy felületű porózus szerkezetek. „Nem nehéz sík felületre bevonatot felvinni. De a kereskedelmi módszerek magukban foglalhatják az apró rézgolyók bevonását” – mondta Bell. A második réteg bevonat hozzáadása kihívást jelent. Az egyik lehetőség az, hogy a két bevonatot egy oldószerben összekeverjük és lerakjuk, és reméljük, hogy az oldószer elpárolgása után szétválnak. Mi van, ha nem? Bell így zárta: „Csak okosabbnak kell lennünk.” Lásd Kim C, Bui JC, Luo X és mások. Testreszabott katalizátor mikrokörnyezet a CO2 elektroredukciójához többszéntartalmú termékekké a réz kétrétegű ionomer bevonatával. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ez a cikk a következő anyagból származik. Megjegyzés: Lehetséges, hogy az anyag terjedelmét és tartalmát szerkesztette. További információért forduljon a hivatkozott forráshoz.
Feladás időpontja: 2021.11.22
