Ispunite donji obrazac i poslat ćemo vam e-poštom PDF verziju dokumenta „Nova tehnološka poboljšanja za pretvaranje ugljikovog dioksida u tekuće gorivo“.
Ugljikov dioksid (CO2) je produkt izgaranja fosilnih goriva i najčešći staklenički plin, koji se na održiv način može pretvoriti natrag u korisna goriva. Jedan obećavajući način pretvaranja emisija CO2 u sirovinu za gorivo je proces koji se naziva elektrokemijska redukcija. No, da bi bio komercijalno održiv, proces je potrebno poboljšati kako bi se odabrali ili proizveli poželjniji proizvodi bogatiji ugljikom. Sada, kako je objavljeno u časopisu Nature Energy, Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) razvio je novu metodu za poboljšanje površine bakrenog katalizatora koji se koristi za pomoćnu reakciju, čime se povećava selektivnost procesa.
„Iako znamo da je bakar najbolji katalizator za ovu reakciju, on ne pruža visoku selektivnost za željeni produkt“, rekao je Alexis, viši znanstvenik na Odjelu za kemijske znanosti u Berkeley Labu i profesor kemijskog inženjerstva na Sveučilištu Kalifornija u Berkeleyu. Spell je rekao. „Naš tim je otkrio da se lokalno okruženje katalizatora može koristiti za razne trikove kako bi se osigurala ovakva selektivnost.“
U prethodnim studijama, istraživači su utvrdili precizne uvjete kako bi osigurali najbolje električno i kemijsko okruženje za stvaranje proizvoda bogatih ugljikom s komercijalnom vrijednošću. No, ti su uvjeti suprotni uvjetima koji se prirodno javljaju u tipičnim gorivnim ćelijama koje koriste vodljive materijale na bazi vode.
Kako bi odredili dizajn koji se može koristiti u okruženju gorivnih ćelija s vodom, Bell i njegov tim, kao dio projekta Centra za energetske inovacije Ministarstva energetike udruge Liquid Sunshine Alliance, okrenuli su se tankom sloju ionomera koji omogućuje prolaz određenim nabijenim molekulama (ionima). Isključuje druge ione. Zbog svojih visoko selektivnih kemijskih svojstava, posebno su prikladni za snažan utjecaj na mikrookoliš.
Chanyeon Kim, postdoktorski istraživač u Bell grupi i prvi autor rada, predložio je premazivanje površine bakrenih katalizatora s dva uobičajena ionomera, Nafionom i Sustainionom. Tim je pretpostavio da bi to trebalo promijeniti okolinu u blizini katalizatora - uključujući pH i količinu vode i ugljikovog dioksida - na neki način kako bi se reakcija usmjerila na proizvodnju produkata bogatih ugljikom koji se mogu lako pretvoriti u korisne kemikalije i tekuća goriva.
Istraživači su nanijeli tanki sloj svakog ionomera i dvostruki sloj dva ionomera na bakreni film poduprt polimernim materijalom kako bi formirali film koji su mogli umetnuti blizu jednog kraja elektrokemijske ćelije oblikovane u obliku ruke. Prilikom ubrizgavanja ugljikovog dioksida u bateriju i primjene napona, mjerili su ukupnu struju koja teče kroz bateriju. Zatim su mjerili plin i tekućinu prikupljene u susjednom spremniku tijekom reakcije. Za slučaj s dva sloja, otkrili su da produkti bogati ugljikom čine 80% energije potrošene reakcijom - više od 60% u slučaju bez premaza.
„Ovaj sendvič premaz pruža najbolje od oba svijeta: visoku selektivnost proizvoda i visoku aktivnost“, rekao je Bell. Dvoslojna površina nije dobra samo za proizvode bogate ugljikom, već istovremeno generira i snažnu struju, što ukazuje na povećanje aktivnosti.
Istraživači su zaključili da je poboljšani odziv rezultat visoke koncentracije CO2 akumulirane u premazu izravno na vrhu bakra. Osim toga, negativno nabijene molekule koje se akumuliraju u području između dva ionomera proizvest će nižu lokalnu kiselost. Ova kombinacija kompenzira kompromise koncentracije koji se obično javljaju u odsutnosti ionomernih filmova.
Kako bi dodatno poboljšali učinkovitost reakcije, istraživači su se okrenuli prethodno dokazanoj tehnologiji koja ne zahtijeva ionomerni film kao drugoj metodi za povećanje CO2 i pH: pulsirajući napon. Primjenom pulsirajućeg napona na dvoslojni ionomerni premaz, istraživači su postigli 250%-tno povećanje proizvoda bogatih ugljikom u usporedbi s neobloženim bakrom i statičkim naponom.
Iako neki istraživači usmjeravaju svoj rad na razvoj novih katalizatora, otkriće katalizatora ne uzima u obzir radne uvjete. Kontroliranje okoline na površini katalizatora nova je i drugačija metoda.
„Nismo smislili potpuno novi katalizator, već smo koristili naše razumijevanje kinetike reakcija i to znanje koristili kao vodič u razmišljanju o tome kako promijeniti okruženje mjesta katalizatora“, rekao je Adam Weber, viši inženjer, znanstvenik u području energetske tehnologije u Berkeley Laboratoriesu i koautor radova.
Sljedeći korak je proširenje proizvodnje obloženih katalizatora. Preliminarni eksperimenti tima Berkeley Laba uključivali su male ravne modelne sustave, koji su bili mnogo jednostavniji od poroznih struktura velike površine potrebnih za komercijalne primjene. „Nije teško nanijeti premaz na ravnu površinu. Ali komercijalne metode mogu uključivati premazivanje sitnih bakrenih kuglica“, rekao je Bell. Dodavanje drugog sloja premaza postaje izazovno. Jedna mogućnost je pomiješati i nanijeti dva premaza zajedno u otapalo i nadati se da će se odvojiti kada otapalo ispari. Što ako se ne odvoje? Bell je zaključio: „Samo moramo biti pametniji.“ Vidi Kim C, Bui JC, Luo X i druge. Prilagođeno mikrookruženje katalizatora za elektroredukciju CO2 do višeugljičnih proizvoda korištenjem dvoslojnog ionomernog premaza na bakru. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ovaj članak je reproduciran iz sljedećeg materijala. Napomena: Materijal je možda uređen po duljini i sadržaju. Za više informacija obratite se navedenom izvoru.
Vrijeme objave: 22. studenog 2021.
