Fyll i formuläret nedan så skickar vi PDF-versionen av "Nya tekniska förbättringar för att omvandla koldioxid till flytande bränsle" till dig via e-post.
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 koldioxidutsläpp till bränsleråvara är en process som kallas elektrokemisk reduktion. Men för att vara kommersiellt gångbar måste processen förbättras för att välja eller producera mer önskvärda 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, seniorforskare vid institutionen för kemivetenskap vid Berkeley Lab och professor i kemiteknik vid University of California, Berkeley. Spell sa. ”Vårt team fann att man kan använda katalysatorns lokala miljö för att göra olika knep för att ge denna typ av selektivitet.”
I tidigare studier har forskare etablerat exakta förhållanden för att ge den bästa elektriska och kemiska miljön för att skapa kolrika produkter med kommersiellt värde. Men dessa förhållanden står i motsats till de förhållanden som naturligt förekommer i typiska bränsleceller som använder vattenbaserade ledande material.
För att fastställa vilken design som kan användas i bränslecellsvattenmiljön, som en del av projektet Energy Innovation Center inom energiministeriets Liquid Sunshine Alliance, använde Bell och hans team ett tunt lager av ionomer, vilket tillåter vissa laddade molekyler (joner) att passera igenom. Uteslut andra joner. På grund av deras mycket selektiva kemiska egenskaper är de särskilt lämpliga för att ha en stark inverkan 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 detta skulle förändra miljön nära katalysatorn – inklusive pH och mängden vatten och koldioxid – på något sätt för att styra reaktionen mot 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 som stöddes av ett polymermaterial för att bilda en film, som de kunde föra in nära ena änden av en handformad elektrokemisk cell. När de injicerade koldioxid i batteriet och applicerade spänning mätte de den totala strömmen som flödade genom batteriet. Sedan mätte de gasen och vätskan som samlades upp i den intilliggande reservoaren under reaktionen. För fallet med två lager fann de att kolrika produkter stod för 80 % av den energi som förbrukades av reaktionen – mer än 60 % i fallet med obelagda material.
”Denna sandwichbeläggning ger det bästa av två världar: hög produktselektivitet och hög aktivitet”, sa Bell. Den dubbla lagerytan är inte bara bra för kolrika produkter, utan genererar också samtidigt en stark ström, vilket indikerar en ökad aktivitet.
Forskarna drog slutsatsen att det förbättrade svaret var ett resultat av den höga CO2-koncentrationen som ackumulerats i beläggningen direkt ovanpå kopparen. Dessutom kommer negativt laddade molekyler som ackumuleras i området mellan de två jonomererna att producera lägre lokal surhetsgrad. Denna kombination motverkar de koncentrationsavvägningar som tenderar att uppstå 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: pulserad spänning. Genom att applicera pulserad spänning på den dubbla jonomerbeläggningen uppnådde forskarna en ökning på 250 % av kolrika produkter jämfört med obelagd koppar och statisk spänning.
Även om vissa forskare fokuserar sitt arbete på utvecklingen av nya katalysatorer, tar upptäckten av katalysatorn inte hänsyn till driftsförhållandena. Att kontrollera miljön på katalysatorytan är en ny och annorlunda metod.
”Vi kom inte fram till en helt ny katalysator, utan använde vår förståelse av reaktionskinetik och denna kunskap för att vägleda oss i våra funderingar kring hur vi kan förändra miljön på katalysatorplatsen”, säger Adam Weber, senioringenjör, forskare inom energiteknik vid Berkeley Laboratories och medförfattare till artiklarna.
Nästa steg är att utöka produktionen av belagda katalysatorer. Berkeley Lab-teamets preliminära experiment involverade små platta modellsystem, vilka var mycket enklare än de porösa strukturer med stor yta som krävs för kommersiella tillämpningar. ”Det är inte svårt att applicera en beläggning på en plan yta. Men kommersiella metoder kan innebära att man belägger små kopparkulor”, sa Bell. Att lägga till ett andra lager 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 behöver bara bli smartare.” Se Kim C, Bui JC, Luo X och andra. Anpassad katalysatormikromiljö för elektroreduktion av CO2 till flerkolsprodukter med hjälp av dubbelskiktsjonomerbeläggning 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 vad gäller längd och innehåll. För mer information, vänligen kontakta den angivna källan.
Publiceringstid: 22 november 2021
