Заполните форму ниже, и мы вышлем вам по электронной почте PDF-версию «Новых технологических улучшений для преобразования углекислого газа в жидкое топливо».
Углекислый газ (CO2) является продуктом сжигания ископаемого топлива и наиболее распространенным парниковым газом, который можно превратить обратно в полезное топливо устойчивым образом.Одним из многообещающих способов преобразования выбросов CO2 в топливо является процесс, называемый электрохимическим восстановлением.Но чтобы быть коммерчески жизнеспособным, процесс необходимо улучшить, чтобы выбирать или производить более желательные продукты с высоким содержанием углерода.Теперь же, как сообщается в журнале Nature Energy, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) разработала новый метод улучшения поверхности медного катализатора, используемого для вспомогательной реакции, за счет чего повышается селективность процесса.
«Хотя мы знаем, что медь является лучшим катализатором для этой реакции, она не обеспечивает высокой селективности в отношении желаемого продукта», — сказал Алексис, старший научный сотрудник отдела химических наук в лаборатории Беркли и профессор химического машиностроения в университете. Калифорнии, Беркли.— сказал Спелл.«Наша команда обнаружила, что вы можете использовать локальную среду катализатора, чтобы делать различные трюки, чтобы обеспечить такую селективность».
В предыдущих исследованиях исследователи установили точные условия, обеспечивающие наилучшую электрическую и химическую среду для создания продуктов с высоким содержанием углерода, имеющих коммерческую ценность.Но эти условия противоречат условиям, естественным образом возникающим в типичных топливных элементах, использующих проводящие материалы на водной основе.
Чтобы определить конструкцию, которая может быть использована в водной среде топливных элементов, в рамках проекта Центра энергетических инноваций альянса Liquid Sunshine Alliance Министерства энергетики Белл и его команда обратились к тонкому слою иономера, который позволяет получать определенные заряды. молекулы (ионы) должны пройти.Исключить другие ионы.Благодаря своим высокоселективным химическим свойствам они особенно подходят для сильного воздействия на микроокружение.
Чанён Ким, научный сотрудник группы Bell и первый автор статьи, предложил покрывать поверхность медных катализаторов двумя распространенными иономерами, Nafion и Sustainion.Команда предположила, что это должно изменить окружающую среду вблизи катализатора, включая рН и 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, поддерживаемую полимерным материалом, чтобы сформировать пленку, которую они могли вставить рядом с одним концом электрохимической ячейки в форме руки.При впрыскивании углекислого газа в аккумулятор и подаче напряжения они измеряли общий ток, протекающий через аккумулятор.Затем они измерили газ и жидкость, собранные в соседнем резервуаре во время реакции.В двухслойном случае они обнаружили, что на богатые углеродом продукты приходится 80% энергии, потребляемой реакцией, — более 60% в случае без покрытия.
«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 в то же время генерирует сильный ток, что указывает на увеличение активности.
Исследователи пришли к выводу, что улучшенный отклик был результатом высокой концентрации CO2, накопленного в покрытии непосредственно поверх меди.Кроме того, отрицательно заряженные молекулы, которые накапливаются в области между двумя иономерами, вызывают более низкую локальную кислотность.Эта комбинация компенсирует компромиссы концентрации, которые имеют место 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 уровня CO2 и pH: импульсному напряжению.Применяя импульсное напряжение к двухслойному иономерному покрытию, исследователи добились 250-процентного увеличения количества продуктов, богатых углеродом, по сравнению с непокрытой медью и статическим напряжением.
Хотя некоторые исследователи сосредотачивают свою работу на разработке новых катализаторов, при открытии катализатора не учитываются условия эксплуатации.Контроль окружающей среды на поверхности катализатора — это новый и отличный от других метод.
«Мы не придумали совершенно новый катализатор, но использовали наше понимание кинетики реакции и использовали эти знания, чтобы думать о том, как изменить окружающую среду на площадке катализатора», — сказал Адам Вебер, старший инженер.Ученые в области энергетических технологий в Berkeley Laboratories и соавтор статей.
Следующим шагом является расширение производства катализаторов с покрытием.Предварительные эксперименты команды лаборатории Беркли включали небольшие плоские модельные системы, которые были намного проще, чем пористые структуры большой площади, необходимые для коммерческого применения.«Нанести покрытие на плоскую поверхность несложно.Но коммерческие методы могут включать покрытие крошечных медных шариков», — сказал Белл.Добавление второго слоя покрытия становится сложной задачей.Одна из возможностей состоит в том, чтобы 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 микросреда катализатора для электровосстановления СО2 до многоуглеродных продуктов с использованием двухслойного иономерного покрытия на меди.Нат Энерджи.2021;6(11):1026-1034.дои: 10.1038/s41560-021-00920-8
Данная статья воспроизведена из следующего материала.Примечание: Материал мог быть отредактирован по длине и содержанию.За дополнительной информацией обращайтесь к цитируемому источнику.
Время публикации: 22 ноября 2021 г.
