Nova tehnologija izboljšuje pretvorbo ogljikovega dioksida v tekoče gorivo

Izpolnite spodnji obrazec in poslali vam bomo PDF različico dokumenta »Nove tehnološke izboljšave za pretvorbo ogljikovega dioksida v tekoče gorivo«.
Ogljikov dioksid (CO2) je produkt gorenja fosilnih goriv in najpogostejši toplogredni plin, ki ga je mogoče na trajnosten način pretvoriti nazaj v uporabna goriva. Eden od obetavnih načinov za pretvorbo emisij CO2 v surovino za gorivo je postopek, imenovan elektrokemična redukcija. Da bi bil postopek komercialno uspešen, ga je treba izboljšati, da bi izbrali ali proizvedli bolj zaželene izdelke, bogate z ogljikom. Kot je poročala revija Nature Energy, je Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) razvil novo metodo za izboljšanje površine bakrovega katalizatorja, ki se uporablja za pomožno reakcijo, s čimer se poveča selektivnost postopka.
»Čeprav vemo, da je baker najboljši katalizator za to reakcijo, ne zagotavlja visoke selektivnosti za želeni produkt,« je dejal Alexis, višji znanstvenik na Oddelku za kemijske znanosti v laboratoriju Berkeley in profesor kemijskega inženirstva na Univerzi v Kaliforniji v Berkeleyju. Spell je povedal. »Naša ekipa je ugotovila, da lahko lokalno okolje katalizatorja uporabite za različne trike, ki zagotavljajo tovrstno selektivnost.«
V prejšnjih študijah so raziskovalci določili natančne pogoje za zagotavljanje najboljšega električnega in kemičnega okolja za ustvarjanje izdelkov, bogatih z ogljikom, s komercialno vrednostjo. Vendar so ti pogoji v nasprotju s pogoji, ki se naravno pojavljajo v tipičnih gorivnih celicah z uporabo prevodnih materialov na vodni osnovi.
Da bi določili zasnovo, ki jo je mogoče uporabiti v vodnem okolju gorivnih celic, sta se Bell in njegova ekipa v okviru projekta Centra za energetske inovacije Ministrstva za energijo Liquid Sunshine Alliance obrnila na tanko plast ionomera, ki omogoča prehod določenih nabitih molekul (ionov). Izključuje druge ione. Zaradi svojih zelo selektivnih kemijskih lastnosti so še posebej primerni za močan vpliv na mikrookolje.
Chanyeon Kim, podoktorska raziskovalka v skupini Bell in prva avtorica članka, je predlagala, da bi površino bakrenih katalizatorjev prevlekli z dvema običajnima ionomeroma, Nafionom in Sustainionom. Ekipa je postavila hipotezo, da bi to moralo na nek način spremeniti okolje v bližini katalizatorja – vključno s pH ter količino vode in ogljikovega dioksida – in usmeriti reakcijo v nastanek produktov, bogatih z ogljikom, ki jih je mogoče enostavno pretvoriti v uporabne kemikalije, produkte in tekoča goriva.
Raziskovalci so na bakreno folijo, ki jo je podpiral polimerni material, nanesli tanko plast vsakega ionomera in dvojno plast dveh ionomerov, da so tvorili folijo, ki so jo lahko vstavili blizu enega konca ročno oblikovane elektrokemične celice. Pri vbrizgavanju ogljikovega dioksida v baterijo in dovajanju napetosti so izmerili skupni tok, ki teče skozi baterijo. Nato so izmerili plin in tekočino, ki se je med reakcijo zbrala v sosednjem rezervoarju. V primeru dveh plasti so ugotovili, da produkti, bogati z ogljikom, predstavljajo 80 % energije, porabljene med reakcijo – več kot 60 % v primeru brez premaza.
»Ta sendvič premaz ponuja najboljše iz obeh svetov: visoko selektivnost izdelka in visoko aktivnost,« je dejal Bell. Dvoslojna površina ni dobra le za izdelke, bogate z ogljikom, ampak hkrati ustvarja tudi močan tok, kar kaže na povečanje aktivnosti.
Raziskovalci so zaključili, da je izboljšan odziv posledica visoke koncentracije CO2, ki se je nabrala v premazu neposredno na vrhu bakra. Poleg tega negativno nabite molekule, ki se kopičijo v območju med dvema ionomeroma, povzročajo nižjo lokalno kislost. Ta kombinacija izravna kompromise glede koncentracije, ki se običajno pojavijo v odsotnosti ionomernih filmov.
Da bi še izboljšali učinkovitost reakcije, so se raziskovalci kot drugo metodo za povečanje CO2 in pH obrnili na že preizkušeno tehnologijo, ki ne zahteva ionomernega filma: pulzno napetost. Z uporabo pulzne napetosti na dvoslojni ionomerni premaz so raziskovalci dosegli 250-odstotno povečanje izdelkov, bogatih z ogljikom, v primerjavi z neprevlečenim bakrom in statično napetostjo.
Čeprav se nekateri raziskovalci osredotočajo na razvoj novih katalizatorjev, odkritje katalizatorja ne upošteva obratovalnih pogojev. Nadzorovanje okolja na površini katalizatorja je nova in drugačna metoda.
»Nismo izumili povsem novega katalizatorja, temveč smo uporabili svoje razumevanje reakcijske kinetike in to znanje uporabili kot vodilo pri razmišljanju o tem, kako spremeniti okolje na mestu katalizatorja,« je dejal Adam Weber, višji inženir, znanstvenik na področju energetske tehnologije v laboratorijih Berkeley in soavtor člankov.
Naslednji korak je razširitev proizvodnje prevlečenih katalizatorjev. Predhodni poskusi ekipe iz laboratorija Berkeley so vključevali majhne ploščate modelne sisteme, ki so bili veliko enostavnejši od poroznih struktur z veliko površino, potrebnih za komercialne aplikacije. »Ni težko nanesti premaza na ravno površino. Toda komercialne metode lahko vključujejo nanašanje drobnih bakrenih kroglic,« je dejal Bell. Dodajanje drugega sloja premaza postane izziv. Ena od možnosti je, da oba premaza zmešamo in nanesemo skupaj v topilu ter upamo, da se bosta ločila, ko topilo izhlapi. Kaj pa, če se ne? Bell je zaključil: »Preprosto moramo biti pametnejši.« Glej Kim C, Bui JC, Luo X in druge. Prilagojeno katalizatorsko mikrookolje za elektroredukcijo CO2 v večogljične izdelke z uporabo dvoslojne ionomerne prevleke na bakru. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Ta članek je reproduciran iz naslednjega gradiva. Opomba: Gradivo je bilo morda urejeno glede dolžine in vsebine. Za več informacij se obrnite na navedeni vir.