Täytä alla oleva lomake, niin lähetämme sinulle sähköpostitse PDF-version artikkelista ”Uudet teknologiset parannukset hiilidioksidin muuntamiseksi nestemäiseksi polttoaineeksi”
Hiilidioksidi (CO2) on fossiilisten polttoaineiden polttamisen tuote ja yleisin kasvihuonekaasu, joka voidaan muuntaa takaisin käyttökelpoisiksi polttoaineiksi kestävällä tavalla. Yksi lupaava tapa muuntaa CO2-päästöt polttoaineen raaka-aineeksi on prosessi, jota kutsutaan sähkökemialliseksi pelkistykseksi. Mutta jotta prosessi olisi kaupallisesti kannattava, sitä on parannettava, jotta voidaan valita tai tuottaa halutumpia hiilipitoisempia tuotteita. Nyt, kuten Nature Energy -lehdessä raportoitiin, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) on kehittänyt uuden menetelmän apureaktiossa käytettävän kupariktalyytin pinnan parantamiseksi, mikä lisää prosessin selektiivisyyttä.
”Vaikka tiedämme, että kupari on paras katalyytti tälle reaktiolle, se ei tarjoa suurta selektiivisyyttä halutulle tuotteelle”, sanoo Alexis, vanhempi tutkija Berkeleyn laboratorion kemiantieteiden laitoksella ja kemiantekniikan professori Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä. Spell sanoo. ”Tiimimme havaitsi, että katalyytin paikallista ympäristöä voidaan käyttää erilaisiin temppuihin tällaisen selektiivisyyden saavuttamiseksi.”
Aiemmissa tutkimuksissa tutkijat ovat luoneet tarkat olosuhteet, jotka tarjoavat parhaan sähköisen ja kemiallisen ympäristön kaupallisesti arvokkaiden hiilipitoisten tuotteiden luomiseksi. Nämä olosuhteet ovat kuitenkin päinvastaiset kuin ne, jotka luonnollisesti esiintyvät tyypillisissä vesipohjaisia johtavia materiaaleja käyttävissä polttokennoissa.
Määrittääkseen polttokennojen vesiympäristössä käytettävän rakenteen osana energiaministeriön Liquid Sunshine Alliancen Energy Innovation Center -projektia Bell ja hänen tiiminsä siirtyivät ohueen ionomeerikerrokseen, joka päästää tietyt varautuneet molekyylit (ionit) läpi. Muut ionit jäävät pois. Erittäin selektiivisten kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta ne soveltuvat erityisen hyvin mikroympäristöön vaikuttavaan voimakkaaseen vaikutukseen.
Bell-ryhmän postdoc-tutkija ja artikkelin ensimmäinen kirjoittaja Chanyeon Kim ehdotti kuparikatalyyttien pinnan päällystämistä kahdella yleisellä ionomeerilla, Nafionilla ja Sustainionilla. Tutkimusryhmä oletti, että näin tekemisen pitäisi muuttaa katalyytin lähellä olevaa ympäristöä – mukaan lukien pH:ta sekä veden ja hiilidioksidin määrää – jollain tavalla, jotta reaktio ohjautuisi tuottamaan hiilipitoisia tuotteita, jotka voidaan helposti muuntaa hyödyllisiksi kemikaaleiksi. Tuotteet ja nestemäiset polttoaineet.
Tutkijat levittivät ohuen kerroksen kutakin ionomeeria ja kaksi kerrosta kahta ionomeeria polymeerimateriaalilla tuetulle kuparikalvolle kalvon muodostamiseksi, jonka he pystyivät asettamaan kädenmuotoisen sähkökemiallisen kennon toisen pään lähelle. Kun akkuun ruiskutettiin hiilidioksidia ja jännitettä kytkettiin, he mittasivat akun läpi kulkevan kokonaisvirran. Sitten he mittasivat reaktion aikana viereiseen säiliöön kertyneen kaasun ja nesteen. Kaksikerroksisessa tapauksessa he havaitsivat, että hiilipitoiset tuotteet muodostivat 80 % reaktion kuluttamasta energiasta – yli 60 % päällystämättömässä tapauksessa.
”Tämä voileipäpinnoite tarjoaa molempien maailmojen parhaat puolet: korkean tuoteselektiivisyyden ja korkean aktiivisuuden”, Bell sanoi. Kaksikerroksinen pinta ei ole vain hyvä hiilipitoisille tuotteille, vaan se myös tuottaa samanaikaisesti voimakkaan virran, mikä osoittaa aktiivisuuden lisääntymistä.
Tutkijat päättelivät, että parantunut vaste johtui kuparin päälle suoraan pinnoitteeseen kertyneestä korkeasta CO2-pitoisuudesta. Lisäksi kahden ionomeerin väliselle alueelle kertyneet negatiivisesti varautuneet molekyylit vähentävät paikallista happamuutta. Tämä yhdistelmä kompensoi pitoisuuskompromisseja, joita yleensä esiintyy ionomeerikalvojen puuttuessa.
Parantaakseen reaktion tehokkuutta entisestään tutkijat siirtyivät aiemmin testattuun tekniikkaan, joka ei vaadi ionomeerikalvoa, toisena menetelmänä CO2-pitoisuuden ja pH-arvon lisäämiseksi: pulssitettuun jännitteeseen. Soveltamalla pulssitettua jännitettä kaksikerroksiseen ionomeeripinnoitteeseen tutkijat saavuttivat 250 %:n kasvun hiilipitoisten tuotteiden määrässä verrattuna pinnoittamattomaan kupariin ja staattiseen jännitteeseen.
Vaikka jotkut tutkijat keskittyvät työssään uusien katalyyttien kehittämiseen, katalyytin löytäminen ei ota huomioon käyttöolosuhteita. Katalyytin pinnan ympäristön hallinta on uusi ja erilainen menetelmä.
”Emme keksineet täysin uutta katalyyttiä, vaan käytimme reaktiokinetiikan tuntemustamme ja tätä tietoa apuna pohtiessamme, miten katalyytin sijaintipaikan ympäristöä voitaisiin muuttaa”, sanoo Adam Weber, vanhempi insinööri, energiateknologian alan tutkija Berkeley Laboratoriesissa ja useiden artikkelien toinen kirjoittaja.
Seuraava askel on laajentaa pinnoitettujen katalyyttien tuotantoa. Berkeley Lab -tiimin alustavissa kokeissa käytettiin pieniä, litteitä mallijärjestelmiä, jotka olivat paljon yksinkertaisempia kuin kaupallisiin sovelluksiin vaadittavat laaja-alaiset huokoiset rakenteet. ”Pinnoitteen levittäminen tasaiselle pinnalle ei ole vaikeaa. Mutta kaupalliset menetelmät voivat sisältää pienten kuparipallojen pinnoittamisen”, Bell sanoi. Toisen pinnoitekerroksen lisääminen on haastavaa. Yksi mahdollisuus on sekoittaa ja kerrostaa kaksi pinnoitetta yhteen liuottimeen ja toivoa, että ne erottuvat, kun liuotin haihtuu. Entä jos ne eivät erotu? Bell päätteli: ”Meidän on vain oltava älykkäämpiä.” Katso Kim C, Bui JC, Luo X ja muut. Räätälöity katalyyttimikroympäristö CO2:n sähköpelkistämiseen monihiilituotteiksi käyttämällä kaksikerroksista ionomeeripinnoitetta kuparilla. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Tämä artikkeli on kopioitu seuraavasta materiaalista. Huomautus: Materiaalin pituutta ja sisältöä on saatettu muokata. Lisätietoja saat ottamalla yhteyttä mainittuun lähteeseen.
Julkaisun aika: 22.11.2021
