Vul onderstaand formulier in en wij sturen u de pdf-versie van "Nieuwe technologische verbeteringen voor de omzetting van koolstofdioxide in vloeibare brandstof" per e-mail.
Koolstofdioxide (CO2) is een product van de verbranding van fossiele brandstoffen en het meest voorkomende broeikasgas. Het kan op een duurzame manier worden omgezet in nuttige brandstoffen. Een veelbelovende manier om CO2-uitstoot om te zetten in brandstof is een proces genaamd elektrochemische reductie. Om commercieel levensvatbaar te zijn, moet het proces echter 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) nu een nieuwe methode ontwikkeld om het oppervlak van de koperkatalysator die wordt gebruikt voor de hulpreactie te verbeteren, waardoor de selectiviteit van het proces toeneemt.
"Hoewel we weten dat koper de beste katalysator is voor deze reactie, levert het geen hoge selectiviteit op voor het gewenste product", aldus Alexis Spell, senior wetenschapper bij de afdeling Chemische Wetenschappen van Berkeley Lab en hoogleraar chemische technologie aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Ons team ontdekte dat je de lokale omgeving van de katalysator kunt gebruiken om op verschillende manieren deze 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 zijn echter tegengesteld aan de omstandigheden die van nature voorkomen in typische brandstofcellen die gebruikmaken van geleidende materialen op waterbasis.
Om een ontwerp te bepalen dat geschikt is voor gebruik in de wateromgeving van een brandstofcel, hebben Bell en zijn team, in het kader van het project van het Energie-innovatiecentrum van de Liquid Sunshine Alliance van het Ministerie van Energie, gekozen voor een dunne laag ionomeer. Deze laag laat bepaalde geladen moleculen (ionen) door, terwijl andere ionen worden tegengehouden. Dankzij hun zeer selectieve chemische eigenschappen zijn ze bijzonder geschikt om een sterke invloed uit te oefenen 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 bekleden met twee veelgebruikte ionomeren, Nafion en Sustainion. Het team veronderstelde dat dit de omgeving rond de katalysator – inclusief de pH en de hoeveelheid water en koolstofdioxide – op een of andere manier zou veranderen, waardoor de reactie zou worden gestuurd om koolstofrijke producten te produceren die gemakkelijk kunnen worden omgezet in nuttige chemicaliën 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 polymeermateriaal. Deze film konden ze vervolgens inbrengen nabij één uiteinde van een handvormige elektrochemische cel. Bij het injecteren van koolstofdioxide in de batterij en het aanleggen van spanning, maten ze de totale stroom die door de batterij liep. Vervolgens maten ze de hoeveelheid gas en vloeistof die zich tijdens de reactie in het aangrenzende reservoir verzamelde. In het geval van de dubbele laag bleek dat koolstofrijke producten verantwoordelijk waren voor 80% van de energie die door de reactie werd verbruikt – meer dan de 60% in het geval van de onbeklede laag.
"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 stroom, wat wijst op een verhoogde activiteit.
De onderzoekers concludeerden dat de verbeterde respons het gevolg was van de hoge CO2-concentratie die zich had opgehoopt in de coating direct bovenop het koper. Bovendien zorgen negatief geladen moleculen die zich ophopen in het gebied tussen de twee ionomeren voor een lagere lokale zuurgraad. Deze combinatie compenseert de concentratieverschillen die doorgaans optreden bij afwezigheid van ionomeerfilms.
Om de efficiëntie van de reactie verder te verbeteren, grepen de onderzoekers terug op een eerder beproefde technologie die geen ionomeerfilm vereist als alternatieve methode om de CO2-productie 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 in vergelijking met ongecoat koper en statische spanning.
Hoewel sommige onderzoekers zich richten op de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, wordt bij de ontdekking ervan geen rekening gehouden met de bedrijfsomstandigheden. Het beheersen van de omgeving op het katalysatoroppervlak is een nieuwe en andere methode.
"We hebben geen volledig nieuwe katalysator ontwikkeld, maar hebben onze kennis van reactiekinetiek gebruikt om na te denken over hoe we de omgeving van de katalysatorplaats konden veranderen", aldus Adam Weber, senior ingenieur en wetenschapper op het gebied van energietechnologie bij Berkeley Laboratories, tevens co-auteur van publicaties.
De volgende stap is het uitbreiden van de productie van gecoate katalysatoren. De voorlopige experimenten van het team van Berkeley Lab betroffen kleine, vlakke modelsystemen, die veel eenvoudiger waren dan de grote poreuze structuren die nodig zijn voor commerciële toepassingen. "Het is niet moeilijk om een coating aan te brengen op een vlak oppervlak. Maar commerciële methoden kunnen het coaten van kleine koperen bolletjes vereisen", aldus Bell. Het aanbrengen van een tweede coatinglaag is dan een uitdaging. Een mogelijkheid is om de twee coatings te mengen en samen in een oplosmiddel aan te brengen, in de hoop dat ze scheiden wanneer het oplosmiddel verdampt. Wat als dat niet gebeurt? Bell concludeerde: "We moeten gewoon slimmer te werk gaan." Zie Kim C, Bui JC, Luo X en anderen. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. 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 qua lengte en inhoud. Neem voor meer informatie contact op met de genoemde bron.
Geplaatst op: 22 november 2021
