Vul onderstaand formulier in en wij sturen u de PDF-versie van "Nieuwe technologische verbeteringen om koolstofdioxide om te zetten in vloeibare brandstof" per e-mail.
Koolstofdioxide (CO2) is het product van de verbranding van fossiele brandstoffen en het meest voorkomende broeikasgas. Het kan op duurzame wijze worden omgezet in bruikbare brandstoffen. Een veelbelovende manier om CO2-uitstoot om te zetten in brandstofgrondstof is een proces genaamd elektrochemische reductie. Maar om commercieel haalbaar 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 het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 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 verhoogd.
"Hoewel we weten dat koper de beste katalysator is voor deze reactie, biedt het geen hoge selectiviteit voor het gewenste product", aldus Alexis, senior wetenschapper bij de afdeling Chemische Wetenschappen van Berkeley Lab en hoogleraar chemische technologie aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Spell zei: "Ons team ontdekte dat je de lokale omgeving van de katalysator kunt gebruiken om verschillende trucjes uit te voeren om dit soort selectiviteit te bereiken."
In eerdere studies hebben onderzoekers precieze omstandigheden vastgesteld om de beste elektrische en chemische omgeving te creëren voor de productie van koolstofrijke producten met commerciële waarde. Deze omstandigheden staan echter haaks op de omstandigheden die van nature voorkomen in typische brandstofcellen die geleidende materialen op waterbasis gebruiken.
Om het ontwerp te bepalen dat kan worden gebruikt in de wateromgeving van brandstofcellen, als onderdeel van het Energy Innovation Center-project van de Liquid Sunshine Alliance van het Ministerie van Energie, richtten Bell en zijn team zich op een dunne laag ionomeer, die bepaalde geladen moleculen (ionen) doorlaat. Andere ionen worden hierdoor uitgesloten. Door hun zeer selectieve chemische eigenschappen zijn ze bijzonder geschikt om een sterke impact te hebben op de micro-omgeving.
Chanyeon Kim, postdoctoraal onderzoeker in de Bell-groep en eerste auteur van het artikel, stelde voor om het oppervlak van koperkatalysatoren te coaten met twee veelvoorkomende ionomeren, Nafion en Sustainion. Het team veronderstelde dat dit de omgeving rond de katalysator – inclusief de pH en de hoeveelheid water en koolstofdioxide – op de een of andere manier zou veranderen om de reactie zo te sturen dat koolstofrijke producten ontstaan 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 koperen film, ondersteund door een polymeermateriaal, om een film te vormen die ze dicht bij één uiteinde van een handvormige elektrochemische cel konden plaatsen. Bij het injecteren van koolstofdioxide in de batterij en het aanleggen van spanning, maten ze de totale stroomsterkte door de batterij. Vervolgens maten ze het gas en de vloeistof die tijdens de reactie in het aangrenzende reservoir werden verzameld. In het geval van de twee lagen ontdekten ze dat koolstofrijke producten 80% van het energieverbruik van de reactie voor hun rekening namen – meer dan 60% in het geval van de ongecoate cel.
"Deze sandwichcoating biedt het beste van twee werelden: hoge productselectiviteit en hoge activiteit", aldus Bell. Het dubbellaagse oppervlak is niet alleen geschikt 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 op het koper. Bovendien zullen negatief geladen moleculen die zich ophopen in het gebied tussen de twee ionomeren een lagere lokale zuurgraad veroorzaken. Deze combinatie compenseert de concentratie-compromissen die vaak optreden bij afwezigheid van ionomeerfilms.
Om de efficiëntie van de reactie verder te verbeteren, maakten de onderzoekers gebruik van een eerder bewezen technologie die geen ionomeerfilm nodig heeft als een andere methode om de CO₂- en pH-waarden te verhogen: gepulste spanning. Door gepulste spanning toe te passen op de dubbellaagse ionomeercoating, bereikten de onderzoekers een toename van 250% in koolstofrijke producten in vergelijking met ongecoat koper en statische spanning.
Hoewel sommige onderzoekers zich richten op de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, houdt de ontdekking van de katalysator geen rekening met de bedrijfsomstandigheden. Het beheersen van de omgeving op het katalysatoroppervlak is een nieuwe en andere methode.
"We hebben geen compleet nieuwe katalysator ontwikkeld, maar hebben ons begrip van reactiekinetiek gebruikt om na te denken over hoe we de omgeving van de katalysatorlocatie konden veranderen", aldus Adam Weber, senior engineer. Hij is een wetenschapper op het gebied van energietechnologie bij Berkeley Laboratories en medeauteur van artikelen.
De volgende stap is het uitbreiden van de productie van gecoate katalysatoren. De voorlopige experimenten van het Berkeley Lab-team omvatten 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 een coating op een plat oppervlak aan te brengen. Maar commerciële methoden kunnen het coaten van kleine koperen bolletjes vereisen", aldus Bell. Het toevoegen van een tweede laag coating wordt een uitdaging. Een mogelijkheid is om de twee coatings te mengen en samen te deponeren in een oplosmiddel, in de hoop dat ze scheiden wanneer het oplosmiddel verdampt. Wat als dat niet gebeurt? Bell concludeerde: "We moeten gewoon slimmer zijn." Zie Kim C, Bui JC, Luo X en anderen. Aangepaste katalysatormicro-omgeving voor elektroreductie van CO2 tot multikoolstofproducten met behulp van een dubbellaagse ionomeercoating op koper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Dit artikel is overgenomen uit het volgende materiaal. Let op: het materiaal is mogelijk bewerkt wat betreft lengte en inhoud. Neem voor meer informatie contact op met de genoemde bron.
Plaatsingstijd: 22-11-2021
