Completați formularul de mai jos și vă vom trimite prin e-mail versiunea PDF a cărții „Noi îmbunătățiri tehnologice pentru transformarea dioxidului de carbon în combustibil lichid”
Dioxidul de carbon (CO2) este produsul arderii combustibililor fosili și cel mai comun gaz cu efect de seră, care poate fi transformat înapoi în combustibili utili într-un mod sustenabil. O modalitate promițătoare de a converti emisiile de CO2 în materii prime pentru combustibil este un proces numit reducere electrochimică. Dar, pentru a fi viabil din punct de vedere comercial, procesul trebuie îmbunătățit pentru a selecta sau produce mai multe produse bogate în carbon dorite. Acum, așa cum se arată în revista Nature Energy, Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) a dezvoltat o nouă metodă pentru a îmbunătăți suprafața catalizatorului de cupru utilizat pentru reacția auxiliară, crescând astfel selectivitatea procesului.
„Deși știm că cuprul este cel mai bun catalizator pentru această reacție, acesta nu oferă o selectivitate ridicată pentru produsul dorit”, a spus Alexis, cercetător senior în cadrul Departamentului de Științe Chimice de la Berkeley Lab și profesor de inginerie chimică la Universitatea din California, Berkeley. Spell a spus: „Echipa noastră a descoperit că se poate utiliza mediul local al catalizatorului pentru a face diverse trucuri care să ofere acest tip de selectivitate.”
În studiile anterioare, cercetătorii au stabilit condiții precise pentru a oferi cel mai bun mediu electric și chimic pentru crearea de produse bogate în carbon cu valoare comercială. Însă aceste condiții sunt contrare condițiilor care apar în mod natural în pilele de combustie tipice care utilizează materiale conductive pe bază de apă.
Pentru a determina designul care poate fi utilizat în mediul acvatic al pilelor de combustie, ca parte a proiectului Centrului de Inovare Energetică al Alianței Liquid Sunshine din cadrul Ministerului Energiei, Bell și echipa sa au apelat la un strat subțire de ionomer, care permite trecerea anumitor molecule încărcate (ioni). Exclude alți ioni. Datorită proprietăților lor chimice extrem de selective, aceștia sunt deosebit de potriviți pentru a avea un impact puternic asupra micromediului.
Chanyeon Kim, cercetător postdoctoral în cadrul grupului Bell și primul autor al lucrării, a propus acoperirea suprafeței catalizatorilor de cupru cu doi ionomeri comuni, Nafion și Sustainion. Echipa a emis ipoteza că acest lucru ar trebui să modifice mediul din apropierea catalizatorului - inclusiv pH-ul și cantitatea de apă și dioxid de carbon - într-un fel pentru a direcționa reacția către producerea de produse bogate în carbon, care pot fi ușor transformate în substanțe chimice utile. Produse și combustibili lichizi.
Cercetătorii au aplicat un strat subțire din fiecare ionomer și un strat dublu format din doi ionomeri pe o peliculă de cupru susținută de un material polimeric pentru a forma o peliculă, pe care au putut-o insera lângă un capăt al unei celule electrochimice în formă de mână. Atunci când au injectat dioxid de carbon în baterie și au aplicat tensiune, au măsurat curentul total care curge prin baterie. Apoi au măsurat gazul și lichidul colectate în rezervorul adiacent în timpul reacției. Pentru cazul cu două straturi, au descoperit că produsele bogate în carbon au reprezentat 80% din energia consumată de reacție - mai mult decât 60% în cazul neacoperit.
„Această acoperire tip sandwich oferă ce e mai bun din ambele lumi: selectivitate ridicată a produsului și activitate ridicată”, a spus Bell. Suprafața cu strat dublu nu este bună doar pentru produsele bogate în carbon, ci generează și un curent puternic în același timp, indicând o creștere a activității.
Cercetătorii au concluzionat că răspunsul îmbunătățit a fost rezultatul concentrației mari de CO2 acumulate în stratul de acoperire direct deasupra cuprului. În plus, moleculele încărcate negativ care se acumulează în regiunea dintre cei doi ionomeri vor produce o aciditate locală mai scăzută. Această combinație compensează compromisurile de concentrație care tind să apară în absența peliculelor de ionomeri.
Pentru a îmbunătăți și mai mult eficiența reacției, cercetătorii au apelat la o tehnologie dovedită anterior, care nu necesită o peliculă ionomerică, ca o altă metodă de creștere a CO2 și a pH-ului: tensiunea pulsată. Prin aplicarea tensiunii pulsate pe stratul dublu de ionomer, cercetătorii au obținut o creștere cu 250% a produselor bogate în carbon în comparație cu cuprul neacoperit și tensiunea statică.
Deși unii cercetători își concentrează munca pe dezvoltarea de noi catalizatori, descoperirea catalizatorului nu ia în considerare condițiile de operare. Controlul mediului de la suprafața catalizatorului este o metodă nouă și diferită.
„Nu am venit cu un catalizator complet nou, ci ne-am folosit cunoștințele despre cinetica reacției și am folosit aceste cunoștințe pentru a ne ghida în reflecția asupra modului în care putem schimba mediul locului catalizatorului”, a declarat Adam Weber, inginer senior. Oameni de știință în domeniul tehnologiei energetice la Berkeley Laboratories și coautor al lucrărilor.
Următorul pas este extinderea producției de catalizatori acoperiți. Experimentele preliminare ale echipei de la Berkeley Lab au implicat sisteme mici, plate, care erau mult mai simple decât structurile poroase cu suprafață mare necesare pentru aplicațiile comerciale. „Nu este dificil să aplici un strat de acoperire pe o suprafață plană. Dar metodele comerciale pot implica acoperirea unor bile minuscule de cupru”, a spus Bell. Adăugarea unui al doilea strat de acoperire devine o provocare. O posibilitate este de a amesteca și de a depune cele două acoperiri împreună într-un solvent și de a spera că se vor separa atunci când solventul se evaporă. Ce se întâmplă dacă nu se întâmplă? Bell a concluzionat: „Trebuie doar să fim mai deștepți.” Consultați Kim C, Bui JC, Luo X și alții. Micromediu personalizat al catalizatorului pentru electro-reducerea CO2 la produse multi-carbon folosind acoperire ionomerică dublă pe cupru. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Acest articol este reprodus din următorul material. Notă: Este posibil ca materialul să fi fost editat din punct de vedere al lungimii și conținutului. Pentru mai multe informații, vă rugăm să contactați sursa citată.
Data publicării: 22 noiembrie 2021
