Запоўніце форму ніжэй, і мы дашлем вам па электроннай пошце PDF-версію артыкула «Новыя тэхналагічныя ўдасканаленні для пераўтварэння вуглякіслага газу ў вадкае паліва».
Вуглякіслы газ (CO2) — гэта прадукт спальвання выкапнёвага паліва і найбольш распаўсюджаны парніковы газ, які можна зноў пераўтварыць у карыснае паліва ўстойлівым чынам. Адным з перспектыўных спосабаў пераўтварэння выкідаў CO2 у паліўную сыравіну з'яўляецца працэс, які называецца электрахімічным аднаўленнем. Але каб быць камерцыйна жыццяздольным, працэс неабходна ўдасканаліць, каб выбраць або вырабляць больш пажаданыя прадукты, багатыя вугляродам. Цяпер, як паведамляецца ў часопісе Nature Energy, Нацыянальная лабараторыя імя Лоўрэнса ў Берклі (Berkeley Lab) распрацавала новы метад паляпшэння паверхні меднага каталізатара, які выкарыстоўваецца для дапаможнай рэакцыі, тым самым павялічваючы селектыўнасць працэсу.
«Нягледзячы на тое, што мы ведаем, што медзь з'яўляецца найлепшым каталізатарам для гэтай рэакцыі, яна не забяспечвае высокай селектыўнасці для патрэбнага прадукту», — сказаў Алексіс, старшы навуковы супрацоўнік кафедры хімічных навук у лабараторыі Берклі і прафесар хімічнай інжынерыі ў Каліфарнійскім універсітэце ў Берклі. — «Наша каманда выявіла, што можна выкарыстоўваць лакальнае асяроддзе каталізатара для розных хітрыкаў, каб забяспечыць такую селектыўнасць».
У папярэдніх даследаваннях даследчыкі ўстанавілі дакладныя ўмовы для забеспячэння найлепшага электрычнага і хімічнага асяроддзя для стварэння прадуктаў, багатых вугляродам, з камерцыйнай каштоўнасцю. Але гэтыя ўмовы супярэчаць умовам, якія натуральным чынам узнікаюць у тыповых паліўных элементах з выкарыстаннем праводзячых матэрыялаў на воднай аснове.
Каб вызначыць канструкцыю, якую можна выкарыстоўваць у водным асяроддзі паліўных элементаў, у рамках праекта Цэнтра энергетычных інавацый Альянсу вадкага сонечнага святла Міністэрства энергетыкі, Бэл і яго каманда звярнуліся да тонкага пласта іонамера, які дазваляе пэўным зараджаным малекулам (іонам) праходзіць праз іх, выключаючы іншыя іёны. Дзякуючы сваім высокаселектыўным хімічным уласцівасцям яны асабліва падыходзяць для моцнага ўздзеяння на мікраасяроддзе.
Чанён Кім, дактарант групы Bell і першы аўтар артыкула, прапанаваў пакрыць паверхню медных каталізатараў двума распаўсюджанымі іонамерамі — Nafion і Sustainion. Каманда выказала гіпотэзу, што гэта павінна змяніць асяроддзе паблізу каталізатара, у тым ліку pH і колькасць вады і вуглякіслага газу, — каб накіраваць рэакцыю на атрыманне багатых вугляродам прадуктаў, якія можна лёгка пераўтварыць у карысныя хімічныя рэчывы, прадукты і вадкае паліва.
Даследчыкі нанеслі тонкі пласт кожнага іономера і падвойны пласт з двух іономераў на медную плёнку, якая падтрымлівалася палімерным матэрыялам, каб сфармаваць плёнку, якую яны маглі ўставіць каля аднаго канца электрахімічнай ячэйкі ў форме рукі. Пры ўвядзенні вуглякіслага газу ў батарэю і падачы напружання яны вымяралі агульны ток, які працякае праз яе. Затым яны вымяралі газ і вадкасць, якія сабраліся ў суседнім рэзервуары падчас рэакцыі. У выпадку з двума пластамі яны выявілі, што прадукты, багатыя вугляродам, складалі 80% энергіі, спажыванай рэакцыяй, — больш за 60% у выпадку без пакрыцця.
«Гэтае сэндвіч-пакрыццё забяспечвае найлепшае з абодвух светаў: высокую селектыўнасць прадукту і высокую актыўнасць», — сказаў Бэл. Двухслаёвая паверхня не толькі добра падыходзіць для прадуктаў, багатых вугляродам, але і адначасова генеруе моцны ток, што сведчыць аб павышэнні актыўнасці.
Даследчыкі прыйшлі да высновы, што паляпшэнне рэакцыі было абумоўлена высокай канцэнтрацыяй CO2, якая назапашваецца ў пакрыцці непасрэдна на паверхні медзі. Акрамя таго, адмоўна зараджаныя малекулы, якія назапашваюцца ў вобласці паміж двума іонамерамі, прыводзяць да зніжэння лакальнай кіслотнасці. Гэта спалучэнне кампенсуе кампрамісы канцэнтрацыі, якія звычайна ўзнікаюць пры адсутнасці іонамерных плёнак.
Каб яшчэ больш павысіць эфектыўнасць рэакцыі, даследчыкі звярнуліся да раней праверанай тэхналогіі, якая не патрабуе іонамернай плёнкі, у якасці яшчэ аднаго метаду павышэння CO2 і pH: імпульснага напружання. Прыкладаючы імпульснае напружанне да двухслаёвага іонамернага пакрыцця, даследчыкі дасягнулі павелічэння колькасці прадуктаў, багатых вугляродам, на 250% у параўнанні з непакрытай меддзю і статычным напружаннем.
Нягледзячы на тое, што некаторыя даследчыкі сканцэнтраваны на распрацоўцы новых каталізатараў, адкрыццё каталізатара не ўлічвае ўмовы эксплуатацыі. Кантроль асяроддзя на паверхні каталізатара — гэта новы і незвычайны метад.
«Мы не распрацавалі цалкам новы каталізатар, а выкарысталі наша разуменне кінетыкі рэакцый і гэтыя веды, каб дапамагчы нам разважаць пра тое, як змяніць асяроддзе ў месцы размяшчэння каталізатара», — сказаў Адам Вебер, старшы інжынер, навуковец у галіне энергетычных тэхналогій у лабараторыях Берклі і сааўтар артыкулаў.
Наступны крок — пашырэнне вытворчасці пакрытых каталізатараў. Папярэднія эксперыменты каманды лабараторыі Берклі ўключалі невялікія плоскія мадэльныя сістэмы, якія былі значна прасцейшымі за вялікія порыстыя структуры, неабходныя для камерцыйнага прымянення. «Нанесці пакрыццё на плоскую паверхню нескладана. Але камерцыйныя метады могуць уключаць пакрыццё малюсенькімі меднымі шарыкамі», — сказаў Бел. Даданне другога пласта пакрыцця становіцца складанай задачай. Адна з магчымасцей — змяшаць і нанесці два пакрыцці разам у растваральніку і спадзявацца, што яны аддзяляцца, калі растваральнік выпарыцца. Што, калі гэтага не адбудзецца? Бел зрабіў выснову: «Нам проста трэба быць разумнейшымі». Глядзіце Kim C, Bui JC, Luo X і іншыя. Customized catalyst microenvironment for electro-reducing CO2 to multi-vuglerod products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Гэты артыкул узяты з наступнага матэрыялу. Заўвага: Матэрыял мог быць адрэдагаваны па даўжыні і змесце. Для атрымання дадатковай інфармацыі звярніцеся да крыніцы, на якую спасылаліся.
Час публікацыі: 22 лістапада 2021 г.
