Aşağıdaki formu doldurun, size "Karbondioksiti sıvı yakıta dönüştürmek için yeni teknoloji geliştirmeleri"nin PDF versiyonunu e-postayla gönderelim.
Karbondioksit (CO2), fosil yakıtların yakılmasının bir ürünü ve en yaygın sera gazı olup, sürdürülebilir bir şekilde tekrar faydalı yakıtlara dönüştürülebilir. CO2 emisyonlarını yakıt hammaddesine dönüştürmenin umut verici bir yolu, elektrokimyasal indirgeme adı verilen bir işlemdir. Ancak ticari olarak uygulanabilir olması için, daha fazla karbon açısından zengin ürün seçmek veya üretmek üzere sürecin iyileştirilmesi gerekmektedir. Nature Energy dergisinde bildirildiği üzere, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab), yardımcı reaksiyonda kullanılan bakır katalizörün yüzeyini iyileştirmek ve böylece sürecin seçiciliğini artırmak için yeni bir yöntem geliştirmiştir.
Berkeley Laboratuvarı Kimya Bilimleri Bölümü'nde kıdemli bilim insanı ve Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'de kimya mühendisliği profesörü olan Alexis, "Bakırın bu reaksiyon için en iyi katalizör olduğunu bilsek de, istenen ürün için yüksek seçicilik sağlamıyor," dedi. Spell, "Ekibimiz, katalizörün yerel ortamını kullanarak bu tür bir seçicilik sağlamak için çeşitli yöntemler kullanabileceğimizi keşfetti." dedi.
Önceki çalışmalarda araştırmacılar, ticari değeri olan karbon açısından zengin ürünler üretmek için en iyi elektriksel ve kimyasal ortamı sağlayacak hassas koşullar belirlemişlerdi. Ancak bu koşullar, su bazlı iletken malzemeler kullanan tipik yakıt hücrelerinde doğal olarak oluşan koşullarla çelişmektedir.
Enerji Bakanlığı'na bağlı Sıvı Güneş İttifakı'nın Enerji İnovasyon Merkezi projesi kapsamında, yakıt hücresi su ortamında kullanılabilecek tasarımı belirlemek için Bell ve ekibi, belirli yüklü moleküllerin (iyonların) geçmesine izin veren ince bir iyonomer tabakasına yöneldi. Diğer iyonları hariç tuttu. Son derece seçici kimyasal özellikleri nedeniyle, mikro çevre üzerinde güçlü bir etki yaratmaya özellikle uygundurlar.
Bell grubunda doktora sonrası araştırmacı ve makalenin başyazarı olan Chanyeon Kim, bakır katalizörlerin yüzeyini iki yaygın iyonomer olan Nafion ve Sustainion ile kaplamayı önerdi. Ekip, bunun katalizörün yakınındaki ortamı (pH ve su ve karbondioksit miktarı dahil) bir şekilde değiştirerek, reaksiyonun kolayca faydalı kimyasallara, yani sıvı yakıtlara dönüştürülebilen karbon açısından zengin ürünler üretmesini sağlayacağını varsaydı.
Araştırmacılar, polimer malzemeyle desteklenen bir bakır filme, her bir iyonomerden ince bir tabaka ve iki iyonomerden oluşan çift bir tabaka uygulayarak, el şeklindeki bir elektrokimyasal hücrenin bir ucuna yakın bir yere yerleştirebilecekleri bir film oluşturdular. Pile karbondioksit enjekte edip voltaj uygularken, pilden geçen toplam akımı ölçtüler. Ardından, reaksiyon sırasında bitişik haznede toplanan gaz ve sıvıyı ölçtüler. İki katmanlı durumda, karbon açısından zengin ürünlerin reaksiyon tarafından tüketilen enerjinin %80'ini oluşturduğunu buldular; bu oran, kaplanmamış durumda %60'tan daha yüksekti.
Bell, "Bu sandviç kaplama her iki dünyanın da en iyisini sunuyor: yüksek ürün seçiciliği ve yüksek aktivite," dedi. Çift katmanlı yüzey, karbon açısından zengin ürünler için iyi olmasının yanı sıra, aynı zamanda güçlü bir akım üreterek aktivitede artışa işaret ediyor.
Araştırmacılar, iyileştirilmiş tepkinin, doğrudan bakırın üzerindeki kaplamada biriken yüksek CO2 konsantrasyonundan kaynaklandığı sonucuna vardılar. Ayrıca, iki iyonomer arasındaki bölgede biriken negatif yüklü moleküller, daha düşük yerel asitlik üretecektir. Bu kombinasyon, iyonomer filmlerin yokluğunda sıklıkla görülen konsantrasyon dengelerini dengeler.
Reaksiyonun verimliliğini daha da artırmak için araştırmacılar, CO2 ve pH'ı artırmanın başka bir yöntemi olarak iyonomer film gerektirmeyen, daha önce kanıtlanmış bir teknolojiye yöneldiler: darbeli voltaj. Çift katmanlı iyonomer kaplamaya darbeli voltaj uygulayarak, araştırmacılar, kaplanmamış bakır ve statik voltaja kıyasla karbon açısından zengin ürünlerde %250 artış elde ettiler.
Bazı araştırmacılar çalışmalarını yeni katalizörlerin geliştirilmesine odaklasa da, katalizörün keşfi çalışma koşullarını hesaba katmamaktadır. Katalizör yüzeyindeki ortamın kontrol edilmesi yeni ve farklı bir yöntemdir.
Berkeley Laboratuvarları'nda enerji teknolojisi alanında çalışan kıdemli mühendis ve makalelerin ortak yazarı Adam Weber, "Tamamen yeni bir katalizör geliştirmedik, ancak reaksiyon kinetiği anlayışımızı kullandık ve bu bilgiyi, katalizör bölgesinin ortamını nasıl değiştireceğimizi düşünmemize rehberlik etmesi için kullandık," dedi.
Bir sonraki adım, kaplamalı katalizör üretimini genişletmek. Berkeley Laboratuvarı ekibinin ön deneyleri, ticari uygulamalar için gereken geniş alanlı gözenekli yapılardan çok daha basit olan küçük düz model sistemleri içeriyordu. Bell, "Düz bir yüzeye kaplama uygulamak zor değil. Ancak ticari yöntemler küçük bakır bilyelerin kaplanmasını içerebilir," dedi. İkinci bir kaplama katmanı eklemek zorlu hale geliyor. Bir olasılık, iki kaplamayı bir çözücü içinde karıştırıp biriktirmek ve çözücü buharlaştığında ayrılmalarını ummaktır. Ya ayrılmazlarsa? Bell şu sonuca vardı: "Sadece daha akıllı olmamız gerekiyor." Kim C, Bui JC, Luo X ve diğerlerine bakın. Bakır üzerine çift katmanlı iyonomer kaplama kullanılarak CO2'nin çok karbonlu ürünlere elektro-indirgenmesi için özelleştirilmiş katalizör mikro ortamı. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Bu makale aşağıdaki materyalden yeniden üretilmiştir. Not: Metnin uzunluğu ve içeriği düzenlenmiş olabilir. Daha fazla bilgi için lütfen atıfta bulunulan kaynakla iletişime geçin.
Gönderim zamanı: 22-11-2021
