Täitke allolev vorm ja me saadame teile e-postiga PDF-versiooni artiklist „Uued tehnoloogilised täiustused süsinikdioksiidi vedelkütuseks muundamiseks”
Süsinikdioksiid (CO2) tekib fossiilkütuste põletamisel ja on kõige levinum kasvuhoonegaas, mida saab säästval viisil tagasi kasulikeks kütusteks muuta. Üks paljutõotav viis CO2 heitkoguste muundamiseks kütuse tooraineks on protsess, mida nimetatakse elektrokeemiliseks redutseerimiseks. Kuid selleks, et protsess oleks kaubanduslikult tasuv, tuleb seda täiustada, et valida või toota rohkem soovitud süsinikurikkaid tooteid. Nüüd, nagu ajakirjas Nature Energy teatati, on Lawrence Berkeley riiklik labor (Berkeley Lab) välja töötanud uue meetodi abireaktsioonis kasutatava vaskkatalüsaatori pinna parandamiseks, suurendades seeläbi protsessi selektiivsust.
„Kuigi me teame, et vask on selle reaktsiooni parim katalüsaator, ei taga see soovitud produkti suhtes suurt selektiivsust,“ ütles Alexis, Berkeley labori keemiateaduste osakonna vanemteadur ja California ülikooli Berkeley keemiatehnika professor. Spell ütles. „Meie meeskond leidis, et katalüsaatori kohalikku keskkonda saab kasutada mitmesuguste nippide tegemiseks sellise selektiivsuse tagamiseks.“
Varasemates uuringutes on teadlased loonud täpsed tingimused, et tagada parim elektriline ja keemiline keskkond kaubandusliku väärtusega süsinikurikaste toodete loomiseks. Kuid need tingimused on vastupidised tingimustele, mis loomulikult esinevad tüüpilistes kütuseelementides, mis kasutavad veepõhiseid juhtivaid materjale.
Kütuseelementide veekeskkonnas kasutatava konstruktsiooni kindlaksmääramiseks pöördusid Bell ja tema meeskond energeetikaministeeriumi vedela päikesevalguse alliansi energiainnovatsioonikeskuse projekti raames õhukese ionomeeri kihi poole, mis laseb teatud laetud molekulidel (ioonidel) läbi pääseda. Teised ioonid jäävad välja. Tänu oma väga selektiivsetele keemilistele omadustele sobivad need eriti hästi mikrokeskkonnale tugeva mõju avaldamiseks.
Belli rühma järeldoktor ja artikli esimene autor Chanyeon Kim tegi ettepaneku katta vaskkatalüsaatorite pind kahe tavalise ionomeeriga, Nafioniga ja Sustainioniga. Meeskond püstitas hüpoteesi, et see peaks muutma katalüsaatori lähedal olevat keskkonda – sealhulgas pH-d ning vee ja süsinikdioksiidi hulka – mingil viisil, et suunata reaktsiooni süsinikurikaste toodete tootmiseks, mida saab hõlpsasti muuta kasulikeks kemikaalideks. Tooted ja vedelkütused.
Teadlased kandsid polümeermaterjalil põhinevale vaskkilele õhukese kihi igast ionomeerist ja topeltkihi kahest ionomeerist, moodustades kile, mille nad said sisestada käekujulise elektrokeemilise elemendi ühe otsa lähedale. Süsinikdioksiidi akusse süstimisel ja pinge rakendamisel mõõtsid nad aku kaudu voolavat koguvoolu. Seejärel mõõtsid nad reaktsiooni ajal külgnevas reservuaaris kogunenud gaasi ja vedeliku hulka. Kahekihilise juhtumi puhul leidsid nad, et süsinikurikkad produktid moodustasid 80% reaktsiooni tarbitud energiast – rohkem kui 60% katmata juhtumi puhul.
„See võileivakate pakub parimat mõlemast maailmast: kõrget toote selektiivsust ja kõrget aktiivsust,“ ütles Bell. Kahekihiline pind ei sobi mitte ainult süsinikurikaste toodete jaoks, vaid tekitab samal ajal ka tugeva voolu, mis näitab aktiivsuse suurenemist.
Teadlased jõudsid järeldusele, et paranenud reaktsioon oli tingitud vase pealispinnal olevasse kattesse kogunenud kõrgest CO2 kontsentratsioonist. Lisaks põhjustavad kahe ionomeeri vahelisse piirkonda kogunevad negatiivselt laetud molekulid madalamat lokaalset happesust. See kombinatsioon kompenseerib kontsentratsiooni kompromisse, mis kipuvad tekkima ionomeeride kilede puudumisel.
Reaktsiooni efektiivsuse edasiseks parandamiseks pöördusid teadlased CO2 ja pH suurendamise teise meetodina varem tõestatud tehnoloogia poole, mis ei vaja ioonomeerkilet: impulsspinge. Rakendades impulsspinget kahekihilisele ioonomeerkattele, saavutasid teadlased süsinikurikaste toodete 250% suurenemise võrreldes katmata vase ja staatilise pingega.
Kuigi mõned teadlased keskenduvad oma töös uute katalüsaatorite väljatöötamisele, ei võta katalüsaatori avastamine arvesse töötingimusi. Katalüsaatori pinnal oleva keskkonna kontrollimine on uus ja erinev meetod.
„Me ei mõelnud välja täiesti uut katalüsaatorit, vaid kasutasime oma arusaama reaktsioonikineetikast ja kasutasime seda teadmist, et suunata end mõtlema, kuidas muuta katalüsaatori asukoha keskkonda,“ ütles Adam Weber, vaneminsener, Berkeley Laboratories'i energiatehnoloogia valdkonna teadlane ja artiklite kaasautor.
Järgmine samm on kaetud katalüsaatorite tootmise laiendamine. Berkeley Labi meeskonna eelkatsed hõlmasid väikeseid tasapinnalisi mudelsüsteeme, mis olid palju lihtsamad kui kommertsrakendustes vajalikud suure pindalaga poorsed struktuurid. „Katet tasasele pinnale kanda pole keeruline. Kuid kommertsmeetodid võivad hõlmata pisikeste vaskkuulide katmist,“ ütles Bell. Teise kattekihi lisamine muutub keeruliseks. Üks võimalus on segada ja sadestada kaks katet lahustis ning loota, et need eralduvad lahusti aurustumisel. Mis siis, kui nad seda ei tee? Bell järeldas: „Peame lihtsalt olema targemad.“ Vt Kim C, Bui JC, Luo X ja teised. Kohandatud katalüsaatori mikrokeskkond CO2 elektroredutseerimiseks mitmesüsinikku sisaldavateks toodeteks, kasutades vasel kahekihilist ionomerkatet. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
See artikkel on reprodutseeritud järgmisest materjalist. Märkus: Materjali pikkust ja sisu võidi muuta. Lisateabe saamiseks võtke ühendust viidatud allikaga.
Postituse aeg: 22. november 2021
