Aizpildiet zemāk esošo veidlapu, un mēs nosūtīsim jums pa e-pastu PDF versiju “Jauni tehnoloģiju uzlabojumi oglekļa dioksīda pārvēršanai šķidrā degvielā”
Oglekļa dioksīds (CO2) ir fosilā kurināmā dedzināšanas produkts un visizplatītākā siltumnīcefekta gāze, ko ilgtspējīgā veidā var pārveidot atpakaļ par noderīgu kurināmo. Viens daudzsološs veids, kā CO2 emisijas pārvērst kurināmā izejvielā, ir process, ko sauc par elektroķīmisko reducēšanu. Taču, lai process būtu komerciāli dzīvotspējīgs, tas ir jāuzlabo, lai atlasītu vai ražotu vairāk vēlamo oglekli saturošu produktu. Tagad, kā ziņots žurnālā Nature Energy, Lorensa Bērklija Nacionālā laboratorija (Bērklija laboratorija) ir izstrādājusi jaunu metodi, lai uzlabotu palīgreakcijā izmantotā vara katalizatora virsmu, tādējādi palielinot procesa selektivitāti.
"Lai gan mēs zinām, ka varš ir labākais katalizators šai reakcijai, tas nenodrošina augstu selektivitāti vēlamajam produktam," sacīja Aleksis, vecākais zinātnieks Bērklija laboratorijas Ķīmijas zinātņu katedrā un ķīmiskās inženierijas profesors Kalifornijas Universitātē Bērklijā. Spells teica: "Mūsu komanda atklāja, ka katalizatora lokālo vidi var izmantot, lai veiktu dažādus trikus, lai nodrošinātu šāda veida selektivitāti."
Iepriekšējos pētījumos pētnieki ir izveidojuši precīzus apstākļus, lai nodrošinātu vislabāko elektrisko un ķīmisko vidi oglekli saturošu produktu ar komerciālu vērtību radīšanai. Taču šie apstākļi ir pretēji apstākļiem, kas dabiski rodas tipiskās degvielas elementos, kuros izmanto uz ūdens bāzes veidotus vadošus materiālus.
Lai noteiktu dizainu, ko var izmantot degvielas elementu ūdens vidē, Enerģētikas ministrijas Šķidrās saules gaismas alianses Enerģētikas inovāciju centra projekta ietvaros Bells un viņa komanda pievērsās plānam jonomēra slānim, kas ļauj noteiktām lādētām molekulām (joniem) iziet cauri. Citi joni tiek izslēgti. Pateicoties to ļoti selektīvajām ķīmiskajām īpašībām, tie ir īpaši piemēroti, lai spēcīgi ietekmētu mikrovidi.
Čanjons Kims, Bell grupas pēcdotorantūras pētnieks un raksta pirmais autors, ierosināja pārklāt vara katalizatoru virsmu ar diviem izplatītiem jonomēriem — Nafionu un Sustainionu. Komanda izvirzīja hipotēzi, ka, to darot, vajadzētu mainīt vidi katalizatora tuvumā, tostarp pH līmeni un ūdens un oglekļa dioksīda daudzumu, lai virzītu reakciju uz oglekļa saturošu produktu ražošanu, kurus var viegli pārveidot par noderīgām ķīmiskām vielām. Produkti un šķidrais kurināmais.
Pētnieki uz vara plēves, ko balstīja polimēru materiāls, uzklāja plānu katra jonomēra kārtu un divu jonomēru dubultu slāni, lai izveidotu plēvi, ko viņi varēja ievietot rokas formas elektroķīmiskās šūnas viena gala tuvumā. Ievadot akumulatorā oglekļa dioksīdu un pieliekot spriegumu, viņi izmērīja kopējo caur akumulatoru plūstošo strāvu. Pēc tam viņi izmērīja gāzes un šķidruma daudzumu, kas reakcijas laikā savākts blakus esošajā rezervuārā. Divu slāņu gadījumā viņi atklāja, ka oglekli saturoši produkti veidoja 80% no reakcijas patērētās enerģijas — vairāk nekā 60% nepārklātā gadījumā.
“Šis sviestmaižu pārklājums nodrošina abu pasauļu labāko: augstu produkta selektivitāti un augstu aktivitāti,” sacīja Bells. Divslāņu virsma ir ne tikai piemērota oglekli saturošiem produktiem, bet arī vienlaikus rada spēcīgu strāvu, kas norāda uz aktivitātes pieaugumu.
Pētnieki secināja, ka uzlabotā reakcija bija saistīta ar augsto CO2 koncentrāciju, kas uzkrājās pārklājumā tieši virs vara. Turklāt negatīvi lādētās molekulas, kas uzkrājas apgabalā starp diviem jonomēriem, radīs zemāku lokālo skābumu. Šī kombinācija kompensē koncentrācijas kompromisus, kas parasti rodas, ja nav jonomēru plēvju.
Lai vēl vairāk uzlabotu reakcijas efektivitāti, pētnieki kā vēl vienu metodi CO2 un pH palielināšanai pievērsās iepriekš pārbaudītai tehnoloģijai, kurai nav nepieciešama jonomēra plēve: impulsa spriegumam. Pielietojot impulsa spriegumu divslāņu jonomēra pārklājumam, pētnieki panāca 250% pieaugumu oglekli saturošos produktos, salīdzinot ar nepārklātu varu un statisko spriegumu.
Lai gan daži pētnieki savu darbu koncentrēj uz jaunu katalizatoru izstrādi, katalizatora atklāšana neņem vērā darbības apstākļus. Vides kontrole uz katalizatora virsmas ir jauna un atšķirīga metode.
“Mēs neizgudrojām pilnīgi jaunu katalizatoru, bet izmantojām savu izpratni par reakcijas kinētiku un izmantojām šīs zināšanas, lai vadītu mūs, domājot par to, kā mainīt katalizatora vietas vidi,” sacīja Ādams Vēbers, vecākais inženieris, enerģijas tehnoloģiju jomas zinātnieki Bērklija laboratorijās un rakstu līdzautors.
Nākamais solis ir paplašināt pārklāto katalizatoru ražošanu. Bērklija laboratorijas komandas sākotnējie eksperimenti ietvēra mazas plakanas modeļa sistēmas, kas bija daudz vienkāršākas nekā liela laukuma porainās struktūras, kas nepieciešamas komerciāliem lietojumiem. "Nav grūti uzklāt pārklājumu uz līdzenas virsmas. Taču komerciālās metodes var ietvert sīku vara lodīšu pārklāšanu," sacīja Bells. Otra pārklājuma slāņa pievienošana kļūst sarežģīta. Viena no iespējām ir sajaukt un nogulsnēt abus pārklājumus kopā šķīdinātājā un cerēt, ka tie atdalīsies, kad šķīdinātājs iztvaiko. Kas notiek, ja tie neatdalās? Bells secināja: "Mums vienkārši jābūt gudrākiem." Skatīt Kim C, Bui JC, Luo X un citus. Pielāgota katalizatora mikrovide CO2 elektroreducēšanai līdz daudzoglekļa produktiem, izmantojot divslāņu jonomēru pārklājumu uz vara. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Šis raksts ir reproducēts no tālāk norādītā materiāla. Piezīme. Materiāls var būt rediģēts garuma un satura ziņā. Lai iegūtu plašāku informāciju, lūdzu, sazinieties ar norādīto avotu.
Publicēšanas laiks: 2021. gada 22. novembris
