Vul het onderstaande formulier in en we sturen u per e-mail de pdf-versie van “Nieuwe technologische verbeteringen om kooldioxide om te zetten in vloeibare brandstof”
Koolstofdioxide (CO2) is het product van de verbranding van fossiele brandstoffen en het meest voorkomende broeikasgas, dat op duurzame wijze weer kan worden omgezet in bruikbare brandstoffen. Een veelbelovende manier om CO2-emissies om te zetten in brandstof is een proces dat elektrochemische reductie wordt genoemd. Maar om commercieel levensvatbaar te zijn, moet het proces worden verbeterd om meer gewenste koolstofrijke producten te selecteren of te produceren. Zoals gerapporteerd in het tijdschrift Nature Energy heeft Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) nu een nieuwe methode ontwikkeld om het oppervlak van de koperkatalysator die voor de hulpreactie wordt gebruikt te verbeteren, waardoor de selectiviteit van het proces wordt vergroot.
“Hoewel we weten dat koper de beste katalysator is voor deze reactie, biedt het geen hoge selectiviteit voor het gewenste product”, zegt Alexis, senior wetenschapper bij de afdeling Chemische Wetenschappen van Berkeley Lab en hoogleraar chemische technologie aan de universiteit. van Californië, Berkeley. zei Spell. “Ons team ontdekte dat je de lokale omgeving van de katalysator kunt gebruiken om verschillende trucjes uit te voeren om dit soort selectiviteit te bewerkstelligen.”
In eerdere onderzoeken hebben onderzoekers precieze omstandigheden vastgesteld om de beste elektrische en chemische omgeving te bieden voor het creëren van koolstofrijke producten met commerciële waarde. Maar deze omstandigheden zijn in strijd met de omstandigheden die van nature voorkomen in typische brandstofcellen die gebruik maken van geleidende materialen op waterbasis.
Om het ontwerp te bepalen dat kan worden gebruikt in de brandstofcelwateromgeving, als onderdeel van het Energy Innovation Center-project van de Liquid Sunshine Alliance van het Ministerie van Energie, hebben Bell en zijn team zich tot een dunne laag ionomeer gewend, die bepaalde geladen deeltjes mogelijk maakt. moleculen (ionen) passeren. Sluit andere ionen uit. Door hun zeer selectieve chemische eigenschappen zijn ze bijzonder geschikt om een sterke impact te hebben op het micromilieu.
Chanyeon Kim, een postdoctoraal onderzoeker in de Bell-groep en de eerste auteur van het artikel, stelde voor om het oppervlak van koperkatalysatoren te bedekken met twee gemeenschappelijke ionomeren, Nafion en Sustainion. Het team veronderstelde dat dit de omgeving in de buurt van de katalysator zou moeten veranderen – inclusief de pH en de hoeveelheid water en koolstofdioxide – op de een of andere manier om de reactie te sturen om koolstofrijke producten te produceren die gemakkelijk kunnen worden omgezet in bruikbare chemicaliën. Producten en vloeibare brandstoffen.
De onderzoekers brachten een dunne laag van elk ionomeer en een dubbele laag van twee ionomeren aan op een koperfilm ondersteund door een polymeer materiaal om een film te vormen, die ze konden inbrengen aan het ene uiteinde van een handvormige elektrochemische cel. Bij het injecteren van kooldioxide in de batterij en het aanleggen van spanning maten ze de totale stroom die door de batterij vloeide. Vervolgens maten ze het gas en de vloeistof die tijdens de reactie in het aangrenzende reservoir werden verzameld. Voor het geval met twee lagen ontdekten ze dat koolstofrijke producten verantwoordelijk waren voor 80% van de energie die door de reactie werd verbruikt – meer dan 60% in het geval zonder coating.
“Deze sandwichcoating biedt het beste van twee werelden: hoge productselectiviteit en hoge activiteit”, aldus Bell. Het dubbellaagse oppervlak is niet alleen goed voor koolstofrijke producten, maar genereert tegelijkertijd ook een sterke stroming, wat wijst op een toename van de activiteit.
De onderzoekers concludeerden dat de verbeterde respons het resultaat was van de hoge CO2-concentratie die zich ophoopte in de coating direct bovenop het koper. Bovendien zullen negatief geladen moleculen die zich ophopen in het gebied tussen de twee ionomeren een lagere lokale zuurgraad produceren. Deze combinatie compenseert de concentratie-afwegingen die vaak optreden bij afwezigheid van ionomeerfilms.
Om de efficiëntie van de reactie verder te verbeteren, wendden de onderzoekers zich tot een eerder bewezen technologie die geen ionomeerfilm nodig heeft als een andere methode om CO2 en pH te verhogen: gepulseerde spanning. Door gepulseerde spanning toe te passen op de dubbellaagse ionomeercoating bereikten de onderzoekers een toename van 250% in koolstofrijke producten vergeleken met ongecoat koper en statische spanning.
Hoewel sommige onderzoekers hun werk richten op de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, wordt bij de ontdekking van de katalysator geen rekening gehouden met de bedrijfsomstandigheden. Het beheersen van de omgeving op het katalysatoroppervlak is een nieuwe en andere methode.
“We kwamen niet met een compleet nieuwe katalysator, maar gebruikten ons begrip van reactiekinetiek en gebruikten deze kennis om ons te begeleiden bij het nadenken over hoe we de omgeving van de katalysatorlocatie konden veranderen”, zegt Adam Weber, een senior ingenieur. Wetenschappers op het gebied van energietechnologie bij Berkeley Laboratories en co-auteur van artikelen.
De volgende stap is het uitbreiden van de productie van gecoate katalysatoren. De voorbereidende experimenten van het Berkeley Lab-team hadden betrekking op kleine platte modelsystemen, die veel eenvoudiger waren dan de poreuze structuren met een groot oppervlak die nodig zijn voor commerciële toepassingen. “Het is niet moeilijk om op een vlakke ondergrond een coating aan te brengen. Maar bij commerciële methoden kan het gaan om het coaten van kleine koperen balletjes, ‘zei Bell. Het toevoegen van een tweede laag coating wordt een uitdaging. Eén mogelijkheid is om de twee coatings te mengen en samen in een oplosmiddel af te zetten, en te hopen dat ze scheiden wanneer het oplosmiddel verdampt. Wat als ze dat niet doen? Bell concludeerde: “We moeten gewoon slimmer zijn.” Raadpleeg Kim C, Bui JC, Luo X en anderen. Aangepaste katalysatormicro-omgeving voor elektroreductie van CO2 tot multi-koolstofproducten met behulp van dubbellaagse ionomeercoating op koper. Nat Energie. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Dit artikel is overgenomen uit het volgende materiaal. Opmerking: het materiaal is mogelijk aangepast op lengte en inhoud. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de genoemde bron.
Posttijd: 22 november 2021
