Заполните форму ниже, и мы вышлем вам PDF-версию документа «Усовершенствования новых технологий преобразования углекислого газа в жидкое топливо».
Углекислый газ (CO2) — продукт сжигания ископаемого топлива и наиболее распространенный парниковый газ, который можно экологически устойчивым способом преобразовать обратно в полезное топливо. Одним из перспективных способов преобразования выбросов CO2 в топливное сырье является процесс, называемый электрохимическим восстановлением. Но для его коммерческой жизнеспособности необходимо усовершенствовать этот процесс, чтобы отбирать или производить более желаемые продукты, богатые углеродом. Как сообщается в журнале Nature Energy, Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) разработала новый метод улучшения поверхности медного катализатора, используемого для вспомогательной реакции, тем самым повышая селективность процесса.
«Хотя мы знаем, что медь является лучшим катализатором для этой реакции, она не обеспечивает высокой селективности по отношению к желаемому продукту», — сказал Алексис, старший научный сотрудник кафедры химических наук в Берклиевской лаборатории и профессор химической инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. Спелл добавил: «Наша команда обнаружила, что можно использовать локальное окружение катализатора, чтобы с помощью различных ухищрений добиться такой селективности».
В предыдущих исследованиях ученые установили точные условия для создания оптимальной электрической и химической среды, способствующей получению углеродсодержащих продуктов, имеющих коммерческую ценность. Однако эти условия противоречат условиям, которые естественным образом возникают в типичных топливных элементах, использующих проводящие материалы на водной основе.
Для определения конструкции, пригодной для использования в водной среде топливного элемента, в рамках проекта Энергетического инновационного центра Альянса «Жидкое Солнце» Министерства энергетики, Белл и его команда обратились к тонкому слою иономера, который позволяет проходить определенным заряженным молекулам (ионам), исключая другие ионы. Благодаря своим высокоизбирательным химическим свойствам, он особенно подходит для оказания сильного воздействия на микроокружение.
Чанён Ким, научный сотрудник группы Белла и первый автор статьи, предложила покрыть поверхность медных катализаторов двумя распространенными иономерами, Nafion и Sustainion. Команда предположила, что это должно каким-то образом изменить среду вблизи катализатора, включая pH, количество воды и углекислого газа, чтобы направить реакцию на образование богатых углеродом продуктов, которые можно легко преобразовать в полезные химические вещества и жидкое топливо.
Исследователи нанесли тонкий слой каждого иономера, а также двойной слой из двух иономеров на медную пленку, закрепленную на полимерном материале, чтобы сформировать пленку, которую они могли поместить вблизи одного из концов электрохимической ячейки в форме руки. При впрыскивании углекислого газа в батарею и подаче напряжения они измерили общий ток, протекающий через батарею. Затем они измерили газ и жидкость, собранные в соседнем резервуаре во время реакции. В случае двухслойной пленки они обнаружили, что на продукты, богатые углеродом, приходилось 80% энергии, потребляемой реакцией, — более 60% в случае непокрытой пленки.
«Это сэндвич-покрытие сочетает в себе лучшие качества двух типов материалов: высокую селективность по отношению к продукту и высокую активность», — сказал Белл. Двухслойная поверхность не только хорошо подходит для продуктов с высоким содержанием углерода, но и одновременно генерирует сильный ток, что указывает на повышение активности.
Исследователи пришли к выводу, что улучшенная реакция является результатом высокой концентрации CO2, накапливающейся в покрытии непосредственно на поверхности меди. Кроме того, отрицательно заряженные молекулы, накапливающиеся в области между двумя иономерами, будут создавать более низкую локальную кислотность. Это сочетание компенсирует компромиссы в концентрации, которые обычно возникают в отсутствие иономерных пленок.
Для дальнейшего повышения эффективности реакции исследователи обратились к ранее проверенной технологии, не требующей иономерной пленки, в качестве еще одного метода повышения концентрации CO2 и pH: импульсному напряжению. Применяя импульсное напряжение к двухслойному иономерному покрытию, исследователи добились увеличения количества продуктов, обогащенных углеродом, на 250% по сравнению с непокрытой медью и статическим напряжением.
Хотя некоторые исследователи сосредотачивают свою работу на разработке новых катализаторов, при открытии катализатора не учитываются условия его эксплуатации. Контроль среды на поверхности катализатора — это новый и иной метод.
«Мы не создали совершенно новый катализатор, а использовали наше понимание кинетики реакции, чтобы понять, как изменить окружение каталитического центра», — сказал Адам Вебер, старший инженер, ученый в области энергетических технологий из Берклиевской лаборатории и соавтор статей.
Следующий шаг — расширение производства катализаторов с покрытием. Предварительные эксперименты команды из Берклиевской лаборатории проводились на небольших плоских модельных системах, которые были намного проще, чем крупномасштабные пористые структуры, необходимые для коммерческого применения. «Нанести покрытие на плоскую поверхность несложно. Но коммерческие методы могут включать нанесение покрытия на крошечные медные шарики», — сказал Белл. Нанесение второго слоя покрытия становится сложной задачей. Один из вариантов — смешать и нанести два покрытия вместе в растворителе и надеяться, что они разделятся при испарении растворителя. А если этого не произойдет? Белл заключил: «Нам просто нужно действовать умнее». См. Kim C, Bui JC, Luo X и др. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Данная статья воспроизведена из следующего материала. Примечание: Материал мог быть отредактирован для сокращения объема и изменения содержания. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с указанным источником.
Дата публикации: 22 ноября 2021 г.
