Fyll ut skjemaet nedenfor, så sender vi deg PDF-versjonen av «Nye teknologiske forbedringer for å omdanne karbondioksid til flytende drivstoff» på e-post.
Karbondioksid (CO2) er et produkt av forbrenning av fossilt brensel og den vanligste klimagassen, som kan omdannes tilbake til nyttige brensler på en bærekraftig måte. En lovende måte å omdanne CO2-utslipp til drivstoffråstoff på er en prosess som kalles elektrokjemisk reduksjon. Men for å være kommersielt levedyktig må prosessen forbedres for å velge eller produsere flere ønskede karbonrike produkter. Nå, som rapportert i tidsskriftet Nature Energy, har Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utviklet en ny metode for å forbedre overflaten til kobberkatalysatoren som brukes til hjelpereaksjonen, og dermed øke selektiviteten til prosessen.
«Selv om vi vet at kobber er den beste katalysatoren for denne reaksjonen, gir den ikke høy selektivitet for det ønskede produktet», sa Alexis, seniorforsker ved Institutt for kjemiske vitenskaper ved Berkeley Lab og professor i kjemiteknikk ved University of California, Berkeley. Spell sa: «Teamet vårt fant ut at man kan bruke katalysatorens lokale miljø til å gjøre forskjellige triks for å gi denne typen selektivitet.»
I tidligere studier har forskere etablert presise forhold for å gi det beste elektriske og kjemiske miljøet for å lage karbonrike produkter med kommersiell verdi. Men disse forholdene er i strid med forholdene som naturlig forekommer i typiske brenselceller som bruker vannbaserte ledende materialer.
For å bestemme designet som kan brukes i brenselcellevannmiljøet, som en del av Energy Innovation Center-prosjektet til Ministry of Energy's Liquid Sunshine Alliance, brukte Bell og teamet hans et tynt lag med ionomer, som lar visse ladede molekyler (ioner) passere gjennom. Utelukk andre ioner. På grunn av deres svært selektive kjemiske egenskaper er de spesielt egnet for å ha en sterk innvirkning på mikromiljøet.
Chanyeon Kim, en postdoktor i Bell-gruppen og førsteforfatter av artikkelen, foreslo å belegge overflaten av kobberkatalysatorer med to vanlige ionomerer, Nafion og Sustainion. Teamet antok at dette skulle endre miljøet nær katalysatoren – inkludert pH og mengden vann og karbondioksid – på en eller annen måte for å styre reaksjonen for å produsere karbonrike produkter som lett kan omdannes til nyttige kjemikalier. Produkter og flytende drivstoff.
Forskerne påførte et tynt lag av hver ionomer og et dobbelt lag med to ionomerer på en kobberfilm støttet av et polymermateriale for å danne en film, som de kunne sette inn nær den ene enden av en håndformet elektrokjemisk celle. Da de injiserte karbondioksid i batteriet og påførte spenning, målte de den totale strømmen som gikk gjennom batteriet. Deretter målte de gassen og væsken som ble samlet opp i det tilstøtende reservoaret under reaksjonen. For tilfellet med to lag fant de at karbonrike produkter sto for 80 % av energien som ble forbrukt av reaksjonen – høyere enn 60 % i tilfellet med ubelagte materialer.
«Dette sandwichbelegget gir det beste fra begge verdener: høy produktselektivitet og høy aktivitet», sa Bell. Dobbeltlagsoverflaten er ikke bare bra for karbonrike produkter, men genererer også en sterk strøm samtidig, noe som indikerer en økning i aktivitet.
Forskerne konkluderte med at den forbedrede responsen var et resultat av den høye CO2-konsentrasjonen som akkumulerte seg i belegget direkte oppå kobberet. I tillegg vil negativt ladede molekyler som akkumuleres i området mellom de to ionomerene produsere lavere lokal surhet. Denne kombinasjonen oppveier konsentrasjonsavveiningene som har en tendens til å oppstå i fravær av ionomerfilmer.
For å forbedre reaksjonens effektivitet ytterligere, vendte forskerne seg til en tidligere velprøvd teknologi som ikke krever en ionomerfilm som en annen metode for å øke CO2 og pH: pulset spenning. Ved å påføre pulset spenning på det dobbeltlags ionomerbelegget oppnådde forskerne en økning på 250 % i karbonrike produkter sammenlignet med ubelagt kobber og statisk spenning.
Selv om noen forskere fokuserer arbeidet sitt på utviklingen av nye katalysatorer, tar ikke oppdagelsen av katalysatoren hensyn til driftsforholdene. Å kontrollere miljøet på katalysatoroverflaten er en ny og annerledes metode.
«Vi kom ikke opp med en helt ny katalysator, men brukte vår forståelse av reaksjonskinetikk og denne kunnskapen til å veilede oss i tankene om hvordan vi kan endre miljøet på katalysatorstedet», sa Adam Weber, senioringeniør. Forskere innen energiteknologi ved Berkeley Laboratories og medforfatter av artikler.
Det neste trinnet er å utvide produksjonen av belagte katalysatorer. Berkeley Lab-teamets innledende eksperimenter involverte små, flate modellsystemer, som var mye enklere enn de store porøse strukturene som kreves for kommersielle applikasjoner. «Det er ikke vanskelig å påføre et belegg på en flat overflate. Men kommersielle metoder kan innebære å belegge små kobberkuler», sa Bell. Å legge til et andre lag med belegg blir utfordrende. En mulighet er å blande og avsette de to beleggene sammen i et løsemiddel, og håpe at de skiller seg når løsemidlet fordamper. Hva om de ikke gjør det? Bell konkluderte: «Vi må bare være smartere.» Se Kim C, Bui JC, Luo X og andre. Tilpasset katalysatormikromiljø for elektroreduksjon av CO2 til flerkarbonprodukter ved bruk av dobbeltlagsionomerbelegg på kobber. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Denne artikkelen er gjengitt fra følgende materiale. Merk: Materialet kan ha blitt redigert med tanke på lengde og innhold. For mer informasjon, vennligst kontakt den siterte kilden.
Publisert: 22. november 2021
