Двуокись углерода (CO2), продукт сжигания ископаемого топлива и наиболее распространенного парникового газа, может быть устойчиво преобразована обратно в полезное топливо.
Перспективным способом превращения выбросов CO2 в сырье для топлива является процесс, известный как электрохимическое восстановление. Но для того, чтобы быть коммерчески жизнеспособным, процесс должен быть улучшен для отбора или получения большего количества желаемых продуктов с высоким содержанием углерода.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли улучшили селективность процесса, разработав новый подход к модификации поверхности медных катализаторов, используемых для облегчения реакции.
«Хотя мы знаем, что медь является лучшим катализатором этой реакции, она не дает высокой селективности по отношению к желаемым продуктам. Наша группа обнаружила, что вы можете проделывать различные трюки с местной средой катализатора, чтобы обеспечить такую селективность», — сказал Алексис Белл, старший научный сотрудник отделения химических наук лаборатории Беркли и профессор химической инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
В предыдущих исследованиях исследователи установили точные условия, которые обеспечили лучшую электрическую и химическую среду для создания коммерчески интересных продуктов, богатых углеродом. Но эти условия противоречат тем, которые естественным образом возникают в типичном топливном элементе, в котором используется проводящий материал на водной основе.
Чтобы определить конструкцию, которую можно было бы использовать в водной среде топливных элементов, Белл и его команда в рамках проекта Energy Innovation Hub Альянса жидкого солнечного света Министерства энергетики обратились к тонким слоям иономеров, полимеров, которые позволяют определенным заряженным молекулам (ионы) проходить, исключая другие. Благодаря своему высокоселективному химическому составу они уникально подходят для сильного влияния на микросреду.
Чанён Ким, постдокторский исследователь в группе Белла и ведущий автор статьи, предложил покрыть поверхность медного катализатора двумя общими иономерами, нафионом и сустейнионом. Команда предположила, что это должно изменить окружающую среду, включая pH, количество воды и CO2, в непосредственной близости от катализатора таким образом, чтобы регулировать реакцию с образованием продуктов, богатых углеродом, которые можно легко преобразовать в полезные химические вещества и жидкое топливо.
Исследователи нанесли тонкий слой каждого иономера, а также бислой обоих иономеров на медные пленки, поддерживаемые полимерным материалом, образуя мембраны, которые они могли вставить около одного конца электрохимической ячейки размером с руку. Подавая CO 2 в ячейку и подавая напряжение, они измеряли полный ток, протекающий через ячейку. Затем они измерили газы и жидкости, которые собирались в соседних резервуарах во время реакции. Для двухслойного случая они обнаружили, что на продукты с высоким содержанием углерода приходилось 80% энергии, потребляемой реакцией, по сравнению с 60% в случае без покрытия.
«Это сэндвич-покрытие сочетает в себе лучшее из обоих миров: высокую селективность продукта и высокую активность. Двухслойная поверхность благоприятствовала не только продуктам, богатым углеродом, но в то же время генерировала сильный электрический ток, что указывало на повышенную активность», — сказал Белл.
Исследователи пришли к выводу, что улучшение реакции было следствием высокой концентрации CO 2, которая накапливалась в слое покрытия непосредственно поверх меди. Кроме того, отрицательно заряженные молекулы, которые скапливались в области между двумя иономерами, создавали низкую локальную кислотность. Эта комбинация противодействовала компромиссу концентрации, который имеет тенденцию происходить в отсутствие иономерных пленок.
Чтобы еще больше повысить эффективность реакции, исследователи обратились к технике, которая была продемонстрирована ранее, без иономерных пленок, как еще один способ увеличения CO2 и pH: импульсное напряжение. Используя импульсное напряжение с двухслойным иономерным покрытием, исследователи достигли 250% -ного увеличения продуктов с высоким содержанием углерода по сравнению с медью без покрытия и статического напряжения.
Хотя некоторые исследователи сосредоточили свою работу на разработке новых катализаторов, при открытии катализатора не учитываются рабочие условия. Управление окружающей средой на поверхности катализатора — это новый и отличный подход.
«Вместо того, чтобы придумывать совершенно новый катализатор, мы взяли то, что мы знаем о кинетике реакции, и использовали эти знания, чтобы направить наши размышления о том, как изменить окружающую среду на участке катализатора», — сказал Адам Вебер, старший специалист, научный сотрудник отдела энергетических технологий Berkeley Lab и соавтор статьи.
Все данные для этого исследования доступны в дополнительной информации. Исходные данные предоставлены вместе с этой статьей.
использованная литература
- 1.Nitopi, S. et al. Прогресс и перспективы электрохимического восстановления CO 2 на меди в водном электролите. Chem. Ред. 119 , 7610–7672 (2019).
2.Verma, S. et al. Модель для определения технико-экономических показателей электровосстановления CO 2 . ChemSusChem 9 , 1972–1979 (2016).
3.Уиппл, Д.Т. и Кенис, PJA. Перспективы использования CO 2 путем прямого гетерогенного электрохимического восстановления. J. Phys. Chem. Lett. 1. С. 3451–3458 (2010).
Информация об авторе:
- Кафедра химической и биомолекулярной инженерии, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния, СШАЧанён Ким, Джастин С. Буй и Алексис Т. Белл
- Liquid Sunlight Alliance, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния, СШАЧанён Ким, Джастин К. Буй, Джейсон К. Купер, Адам З. Вебер и Алексис Т. Белл
- Отделение химических наук, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния, СШАЧанён Ким, Джастин К. Буй, Джейсон К. Купер и Алексис Т. Белл
- Зона энергетических технологий, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния, СШАСяоянь Ло, Ахмет Кусоглу и Адам З. Вебер
