Fyll i formuläret nedan så mailar vi dig PDF-versionen av "Nya teknikförbättringar för att omvandla koldioxid till flytande bränsle"
Koldioxid (CO2) är produkten av förbränning av fossila bränslen och den vanligaste växthusgasen, som kan omvandlas tillbaka till användbara bränslen på ett hållbart sätt. Ett lovande sätt att omvandla CO2-utsläpp till bränsleråvara är en process som kallas elektrokemisk reduktion. Men för att vara kommersiellt gångbar måste processen förbättras för att välja eller producera mer önskade kolrika produkter. Nu, som rapporterats i tidskriften Nature Energy, har Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utvecklat en ny metod för att förbättra ytan på kopparkatalysatorn som används för hjälpreaktionen och därigenom öka processens selektivitet.
"Även om vi vet att koppar är den bästa katalysatorn för denna reaktion, ger den inte hög selektivitet för den önskade produkten", säger Alexis, senior forskare vid Institutionen för kemivetenskap vid Berkeley Lab och professor i kemiteknik vid universitetet från Kalifornien, Berkeley. Sa Spell. "Vårt team fann att du kan använda katalysatorns lokala miljö för att göra olika knep för att ge den här typen av selektivitet."
I tidigare studier har forskare fastställt exakta förutsättningar för att tillhandahålla den bästa elektriska och kemiska miljön för att skapa kolrika produkter med kommersiellt värde. Men dessa förhållanden strider mot de förhållanden som naturligt förekommer i typiska bränsleceller som använder vattenbaserade ledande material.
För att bestämma designen som kan användas i bränslecellsvattenmiljön, som en del av Energy Innovation Center-projektet av ministeriet för energis Liquid Sunshine Alliance, vände sig Bell och hans team till ett tunt lager jonomer, vilket tillåter vissa laddade molekyler (joner) att passera genom. Uteslut andra joner. På grund av sina mycket selektiva kemiska egenskaper är de särskilt lämpliga för att ha en stark påverkan på mikromiljön.
Chanyeon Kim, en postdoktor i Bell-gruppen och den första författaren till artikeln, föreslog att ytan på kopparkatalysatorer skulle beläggas med två vanliga jonomerer, Nafion och Sustainion. Teamet antog att det skulle förändra miljön nära katalysatorn - inklusive pH och mängden vatten och koldioxid - på något sätt för att styra reaktionen till att producera kolrika produkter som lätt kan omvandlas till användbara kemikalier. Produkter och flytande bränslen.
Forskarna applicerade ett tunt lager av varje jonomer och ett dubbelt lager av två jonomerer på en kopparfilm stödd av ett polymermaterial för att bilda en film, som de kunde infoga nära ena änden av en handformad elektrokemisk cell. När de injicerade koldioxid i batteriet och lade på spänning, mätte de den totala strömmen som flödade genom batteriet. Sedan mätte de gasen och vätskan som samlats upp i den intilliggande reservoaren under reaktionen. För tvåskiktsfallet fann de att kolrika produkter stod för 80% av energin som förbrukades av reaktionen - högre än 60% i det obelagda fallet.
"Denna sandwichbeläggning ger det bästa av två världar: hög produktselektivitet och hög aktivitet," sa Bell. Den dubbla skiktytan är inte bara bra för kolrika produkter, utan genererar samtidigt en stark ström, vilket tyder på en ökad aktivitet.
Forskarna drog slutsatsen att det förbättrade svaret var resultatet av den höga CO2-koncentrationen som ackumulerats i beläggningen direkt ovanpå kopparn. Dessutom kommer negativt laddade molekyler som ackumuleras i området mellan de två jonomererna att producera lägre lokal surhet. Denna kombination uppväger koncentrationsavvägningarna som tenderar att inträffa i frånvaro av jonomerfilmer.
För att ytterligare förbättra reaktionens effektivitet vände sig forskarna till en tidigare beprövad teknik som inte kräver en jonomerfilm som en annan metod för att öka CO2 och pH: pulsad spänning. Genom att applicera pulsad spänning på den dubbelskiktiga jonomerbeläggningen, uppnådde forskarna en 250% ökning av kolrika produkter jämfört med obelagd koppar och statisk spänning.
Även om vissa forskare fokuserar sitt arbete på utvecklingen av nya katalysatorer, tar inte upptäckten av katalysatorn hänsyn till driftsförhållandena. Att kontrollera miljön på katalysatorytan är en ny och annorlunda metod.
"Vi kom inte på en helt ny katalysator, utan använde vår förståelse av reaktionskinetik och använde denna kunskap för att vägleda oss i att tänka på hur vi kan förändra miljön på katalysatorplatsen", säger Adam Weber, senior ingenjör. Forskare inom området energiteknik vid Berkeley Laboratories och medförfattare till uppsatser.
Nästa steg är att utöka produktionen av belagda katalysatorer. Berkeley Lab-teamets preliminära experiment involverade små platta modellsystem, som var mycket enklare än de stora porösa strukturerna som krävs för kommersiella tillämpningar. ”Det är inte svårt att applicera en beläggning på en plan yta. Men kommersiella metoder kan involvera beläggning av små kopparkulor, säger Bell. Att lägga till ett andra lager av beläggning blir utmanande. En möjlighet är att blanda och deponera de två beläggningarna tillsammans i ett lösningsmedel, och hoppas att de separerar när lösningsmedlet avdunstar. Tänk om de inte gör det? Bell avslutade: "Vi måste bara bli smartare." Se Kim C, Bui JC, Luo X och andra. Skräddarsydd katalysatormikromiljö för elektroreduktion av CO2 till flerkolprodukter med hjälp av dubbelskikts jonomerbeläggning på koppar. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Denna artikel är återgiven från följande material. Obs: Materialet kan ha redigerats för längd och innehåll. För mer information, vänligen kontakta den citerade källan.
Posttid: 22 november 2021
