Заполните форму ниже, и мы вышлем вам по электронной почте PDF-версию «Усовершенствования новых технологий для преобразования углекислого газа в жидкое топливо»
Углекислый газ (CO2) — это продукт сжигания ископаемого топлива и наиболее распространенный парниковый газ, который можно устойчивым образом преобразовать обратно в полезное топливо. Одним из многообещающих способов преобразования выбросов CO2 в топливное сырье является процесс, называемый электрохимическим восстановлением. Но чтобы быть коммерчески жизнеспособным, процесс необходимо усовершенствовать, чтобы отбирать или производить более желаемые продукты с высоким содержанием углерода. Теперь, как сообщается в журнале Nature Energy, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) разработала новый метод улучшения поверхности медного катализатора, используемого для вспомогательной реакции, тем самым повысив селективность процесса.
«Хотя мы знаем, что медь является лучшим катализатором этой реакции, она не обеспечивает высокую селективность по целевому продукту», — сказал Алексис, старший научный сотрудник кафедры химических наук в лаборатории Беркли и профессор химической инженерии в университете. Калифорнии, Беркли. - сказал Спелл. «Наша команда обнаружила, что вы можете использовать локальную среду катализатора, чтобы выполнять различные трюки, чтобы обеспечить такого рода селективность».
В предыдущих исследованиях исследователи установили точные условия, обеспечивающие наилучшую электрическую и химическую среду для создания богатых углеродом продуктов, имеющих коммерческую ценность. Но эти условия противоречат условиям, которые естественным образом возникают в типичных топливных элементах, использующих проводящие материалы на водной основе.
Чтобы определить конструкцию, которую можно использовать в водной среде топливных элементов, в рамках проекта Центра энергетических инноваций Альянса Liquid Sunshine при Министерстве энергетики Белл и его команда обратились к тонкому слою иономера, который позволяет определенным заряженным молекулы (ионы), через которые проходят. Исключите другие ионы. Благодаря своим высокоселективным химическим свойствам они особенно подходят для сильного воздействия на микросреду.
Чанён Ким, постдокторант из группы Bell и первый автор статьи, предложил покрыть поверхность медных катализаторов двумя распространенными иономерами: нафионом и сустейнионом. Команда предположила, что это должно изменить окружающую среду рядом с катализатором, включая pH, количество воды и углекислого газа, чтобы каким-то образом направить реакцию на производство продуктов, богатых углеродом, которые можно легко превратить в полезные химические вещества. Продукты и жидкое топливо.
Исследователи нанесли тонкий слой каждого иономера и двойной слой из двух иономеров на медную пленку, поддержанную полимерным материалом, чтобы сформировать пленку, которую они могли вставить возле одного конца электрохимической ячейки в форме руки. При впрыскивании углекислого газа в батарею и подаче напряжения они измеряли общий ток, протекающий через батарею. Затем они измерили количество газа и жидкости, собранных в соседнем резервуаре во время реакции. В двухслойном случае они обнаружили, что на продукты, богатые углеродом, приходится 80% энергии, потребляемой реакцией, а в случае без покрытия — более 60%.
«Это сэндвич-покрытие сочетает в себе лучшее из обоих миров: высокую селективность продукта и высокую активность», — сказал Белл. Двухслойная поверхность не только хороша для продуктов, богатых углеродом, но и одновременно генерирует сильный ток, что указывает на увеличение активности.
Исследователи пришли к выводу, что улучшенный отклик был результатом высокой концентрации CO2, накопленной в покрытии непосредственно поверх меди. Кроме того, отрицательно заряженные молекулы, которые накапливаются в области между двумя иономерами, приводят к снижению местной кислотности. Эта комбинация компенсирует компромиссы в концентрации, которые имеют тенденцию возникать при отсутствии иономерных пленок.
Чтобы еще больше повысить эффективность реакции, исследователи обратились к ранее проверенной технологии, не требующей иономерной пленки, в качестве еще одного метода повышения CO2 и pH: импульсного напряжения. Применяя импульсное напряжение к двухслойному иономерному покрытию, исследователи добились увеличения производства продуктов с высоким содержанием углерода на 250% по сравнению с медью без покрытия и статическим напряжением.
Хотя некоторые исследователи сосредотачивают свою работу на разработке новых катализаторов, открытие катализатора не учитывает условия эксплуатации. Контроль окружающей среды на поверхности катализатора — это новый и необычный метод.
«Мы не придумали совершенно новый катализатор, но использовали наше понимание кинетики реакций и использовали эти знания, чтобы направлять нас в размышлениях о том, как изменить окружающую среду на месте катализатора», — сказал Адам Вебер, старший инженер. Ученые в области энергетических технологий в лабораториях Беркли и соавтор статей.
Следующий шаг – расширение производства покрытых катализаторов. Предварительные эксперименты команды лаборатории Беркли включали небольшие системы плоских моделей, которые были намного проще, чем пористые структуры большой площади, необходимые для коммерческого применения. «Нанести покрытие на ровную поверхность несложно. Но коммерческие методы могут включать покрытие крошечных медных шариков», — сказал Белл. Добавление второго слоя покрытия становится сложной задачей. Один из вариантов — смешать и нанести два покрытия вместе в растворителе и надеяться, что они разделятся, когда растворитель испарится. Что, если они этого не сделают? Белл заключил: «Нам просто нужно быть умнее». Обратитесь к Kim C, Bui JC, Luo X и другим. Индивидуальная микроокружение катализатора для электровосстановления CO2 до многоуглеродных продуктов с использованием двухслойного иономерного покрытия на меди. Нат Энерджи. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Данная статья воспроизведена по следующему материалу. Примечание. Материал мог быть отредактирован по объему и содержанию. Для получения дополнительной информации обращайтесь к указанному источнику.
Время публикации: 22 ноября 2021 г.
