Vyplňte níže uvedený formulář a my vám e-mailem zašleme PDF verzi dokumentu „Nová technologická vylepšení pro přeměnu oxidu uhličitého na kapalné palivo“.
Oxid uhličitý (CO2) je produktem spalování fosilních paliv a nejběžnějším skleníkovým plynem, který lze udržitelným způsobem přeměnit zpět na užitečná paliva. Jedním ze slibných způsobů, jak přeměnit emise CO2 na palivovou surovinu, je proces zvaný elektrochemická redukce. Aby však byl proces komerčně životaschopný, je třeba jej vylepšit, aby se dalo vybrat nebo vyprodukovat více žádoucích produktů bohatých na uhlík. Nyní, jak uvádí časopis Nature Energy, vyvinula Národní laboratoř Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) novou metodu pro zlepšení povrchu měděného katalyzátoru použitého pro pomocnou reakci, čímž se zvyšuje selektivita procesu.
„Ačkoli víme, že měď je pro tuto reakci nejlepším katalyzátorem, neposkytuje vysokou selektivitu pro požadovaný produkt,“ řekl Alexis, vedoucí vědecký pracovník na katedře chemických věd v Berkeley Lab a profesor chemického inženýrství na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Spell dodal: „Náš tým zjistil, že k dosažení tohoto druhu selektivity lze využít lokální prostředí katalyzátoru.“
V předchozích studiích vědci stanovili přesné podmínky pro zajištění nejlepšího elektrického a chemického prostředí pro výrobu produktů bohatých na uhlík s komerční hodnotou. Tyto podmínky jsou však v rozporu s podmínkami, které se přirozeně vyskytují v typických palivových článcích používajících vodivé materiály na bázi vody.
Aby určili konstrukci, kterou lze použít ve vodním prostředí palivových článků, v rámci projektu Energetického inovačního centra aliance Liquid Sunshine při Ministerstvu energetiky se Bell a jeho tým obrátili na tenkou vrstvu ionomeru, která umožňuje průchod určitých nabitých molekul (iontů). Ostatní ionty jsou vyloučeny. Díky svým vysoce selektivním chemickým vlastnostem jsou obzvláště vhodné pro silný vliv na mikroprostředí.
Chanyeon Kim, postdoktorandský výzkumník ve skupině Bell a první autor článku, navrhl pokrýt povrch měděných katalyzátorů dvěma běžnými ionomery, Nafionem a Sustainionem. Tým vyslovil hypotézu, že by to mělo nějakým způsobem změnit prostředí v blízkosti katalyzátoru – včetně pH a množství vody a oxidu uhličitého – a nasměrovat reakci k produkci produktů bohatých na uhlík, které lze snadno přeměnit na užitečné chemikálie, produkty a kapalná paliva.
Vědci nanesli tenkou vrstvu každého ionomeru a dvojitou vrstvu dvou ionomeru na měděnou vrstvu podepřenou polymerním materiálem, čímž vytvořili vrstvu, kterou mohli vložit blízko jednoho konce elektrochemického článku ve tvaru ruky. Při vstřikování oxidu uhličitého do baterie a přivádění napětí měřili celkový proud protékající baterií. Poté měřili plyn a kapalinu shromážděné v sousední nádrži během reakce. V případě dvou vrstev zjistili, že produkty bohaté na uhlík představovaly 80 % energie spotřebované reakcí – více než 60 % v případě bez povlaku.
„Tento sendvičový povlak nabízí to nejlepší z obou světů: vysokou selektivitu produktu a vysokou aktivitu,“ řekl Bell. Dvouvrstvý povrch je nejen vhodný pro produkty bohaté na uhlík, ale zároveň generuje silný proud, což naznačuje zvýšení aktivity.
Výzkumníci dospěli k závěru, že zlepšená odezva byla výsledkem vysoké koncentrace CO2 akumulované v povlaku přímo na mědi. Kromě toho negativně nabité molekuly, které se akumulují v oblasti mezi dvěma ionomery, způsobují nižší lokální kyselost. Tato kombinace kompenzuje koncentrační kompromisy, ke kterým obvykle dochází v nepřítomnosti ionomerních filmů.
Aby se dále zlepšila účinnost reakce, vědci se jako další metoda ke zvýšení CO2 a pH obrátili na dříve osvědčenou technologii, která nevyžaduje ionomerní film: pulzní napětí. Aplikací pulzního napětí na dvouvrstvý ionomerní povlak dosáhli vědci 250% nárůstu produktů bohatých na uhlík ve srovnání s nepovlakovanou mědí a statickým napětím.
Ačkoli se někteří výzkumníci zaměřují na vývoj nových katalyzátorů, objev katalyzátoru nezohledňuje provozní podmínky. Řízení prostředí na povrchu katalyzátoru je nová a odlišná metoda.
„Nevymysleli jsme úplně nový katalyzátor, ale využili jsme naše znalosti reakční kinetiky a tyto znalosti nám pomohly přemýšlet o tom, jak změnit prostředí místa, kde se katalyzátor nachází,“ řekl Adam Weber, vedoucí inženýr, vědec v oblasti energetických technologií v Berkeley Laboratories a spoluautor článků.
Dalším krokem je rozšíření výroby potažených katalyzátorů. Předběžné experimenty týmu Berkeley Lab zahrnovaly malé ploché modelové systémy, které byly mnohem jednodušší než velkoplošné porézní struktury potřebné pro komerční aplikace. „Není obtížné nanést povlak na rovný povrch. Komerční metody však mohou zahrnovat potahování drobných měděných kuliček,“ řekl Bell. Přidání druhé vrstvy povlaku se stává náročným. Jednou z možností je smíchat a nanést oba povlaky dohromady v rozpouštědle a doufat, že se po odpaření rozpouštědla oddělí. Co když se tak nestane? Bell uzavřel: „Musíme být prostě chytřejší.“ Viz Kim C, Bui JC, Luo X a další. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-uhlíkové produkty using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Tento článek je reprodukován z následujícího materiálu. Poznámka: Materiál mohl být upraven z hlediska délky a obsahu. Pro více informací kontaktujte prosím citovaný zdroj.
Čas zveřejnění: 22. listopadu 2021
