Заполните форму ниже, и мы вышлем вам по электронной почте PDF-версию книги «Новые усовершенствования технологии преобразования углекислого газа в жидкое топливо».
Углекислый газ (CO2) – продукт сжигания ископаемого топлива и наиболее распространённый парниковый газ, который можно преобразовать обратно в полезные виды топлива экологически безопасным способом. Одним из перспективных способов преобразования выбросов CO2 в топливное сырье является процесс, называемый электрохимическим восстановлением. Однако для коммерческой эффективности этот процесс необходимо усовершенствовать, чтобы выбрать или производить больше желаемых продуктов с высоким содержанием углерода. Как сообщается в журнале Nature Energy, Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) разработала новый метод улучшения поверхности медного катализатора, используемого во вспомогательной реакции, что повышает селективность процесса.
«Хотя мы знаем, что медь — лучший катализатор для этой реакции, она не обеспечивает высокой селективности по целевому продукту», — сказал Алексис, старший научный сотрудник кафедры химических наук в лаборатории Беркли и профессор химического машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли. Спелл добавил: «Наша команда обнаружила, что можно использовать локальное окружение катализатора, чтобы различными способами обеспечить такую селективность».
В предыдущих исследованиях учёные установили точные условия, обеспечивающие оптимальную электрическую и химическую среду для создания углеродсодержащих продуктов, имеющих коммерческую ценность. Однако эти условия противоречат условиям, естественным образом возникающим в типичных топливных элементах, использующих проводящие материалы на водной основе.
Чтобы определить конструкцию, подходящую для использования в водной среде топливных элементов, в рамках проекта Центра энергетических инноваций Альянса «Liquid Sunshine» Министерства энергетики США Белл и его команда обратились к тонкому слою иономера, который пропускает определённые заряженные молекулы (ионы). Другие ионы не проникают. Благодаря своим высокоселективным химическим свойствам они особенно подходят для эффективного воздействия на микросреду.
Чанён Ким, научный сотрудник группы Белла и первый автор статьи, предложил покрывать поверхность медных катализаторов двумя распространёнными иономерами: нафионом и сустейном. Группа предположила, что это должно каким-то образом изменить среду вблизи катализатора, включая pH и количество воды и углекислого газа, чтобы направить реакцию на получение богатых углеродом продуктов, которые можно легко преобразовать в полезные химические вещества. Продукты и жидкое топливо.
Исследователи нанесли тонкий слой каждого иономера и двойной слой из двух иономеров на медную пленку, нанесенную на полимерный материал, чтобы сформировать пленку, которую можно было вставить в батарею, напоминающую по форме ладонь. Впрыскивая углекислый газ в батарею и подавая напряжение, они измеряли общий ток, протекающий через батарею. Затем они измерили количество газа и жидкости, собранных в соседнем резервуаре во время реакции. В случае двухслойной пленки они обнаружили, что на продукты с высоким содержанием углерода приходилось 80% энергии, потребляемой реакцией, — более 60% в случае без покрытия.
«Это сэндвич-покрытие сочетает в себе лучшее из двух миров: высокую селективность к продукту и высокую активность», — сказал Белл. Двухслойная поверхность не только подходит для продуктов с высоким содержанием углерода, но и одновременно генерирует сильный ток, что свидетельствует о повышении активности.
Исследователи пришли к выводу, что улучшенный отклик был обусловлен высокой концентрацией CO2, накопленной в покрытии непосредственно над медью. Кроме того, отрицательно заряженные молекулы, накапливающиеся в области между двумя иономерами, будут создавать более низкую локальную кислотность. Такое сочетание компенсирует концентрационные компромиссы, которые обычно возникают при отсутствии иономерных пленок.
Чтобы дополнительно повысить эффективность реакции, исследователи обратились к ранее проверенной технологии, не требующей иономерной пленки, в качестве ещё одного метода повышения концентрации CO2 и pH: импульсному напряжению. Подавая импульсное напряжение на двухслойное иономерное покрытие, исследователи добились увеличения выхода углеродсодержащей продукции на 250% по сравнению с непокрытой медью и статическим напряжением.
Хотя некоторые исследователи сосредоточивают свои усилия на разработке новых катализаторов, их открытие не учитывает условия эксплуатации. Управление средой на поверхности катализатора — это новый и уникальный метод.
«Мы не изобрели совершенно новый катализатор, а использовали наше понимание кинетики реакций и использовали эти знания, чтобы продумать, как изменить среду в месте расположения катализатора», — сказал Адам Вебер, старший инженер, учёный в области энергетических технологий в лабораториях Беркли и соавтор статей.
Следующим шагом является расширение производства катализаторов с покрытием. Предварительные эксперименты команды лаборатории Беркли проводились на небольших плоских модельных системах, которые были гораздо проще, чем крупноразмерные 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. Добавление второго слоя покрытия становится сложной задачей. Один из вариантов — смешать и нанести два покрытия вместе в растворитель, надеясь, что они разделятся после испарения растворителя. А что, если этого не произойдет? Белл заключил: «Нам просто нужно быть 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
Эта статья воспроизводится на основе следующего материала. Примечание: текст мог быть отредактирован по объёму и содержанию. Для получения дополнительной информации обратитесь к указанному источнику.
Время публикации: 22 ноября 2021 г.
