Aşağıdaki formu doldurun, size "Karbondioksiti sıvı yakıta dönüştürmede yeni teknoloji geliştirmeleri" başlıklı raporun PDF versiyonunu e-posta ile göndereceğiz.
Fosil yakıtların yakılması sonucu oluşan ve en yaygın sera gazı olan karbondioksit (CO2), sürdürülebilir bir şekilde tekrar faydalı yakıtlara dönüştürülebilir. CO2 emisyonlarını yakıt hammaddesine dönüştürmenin umut vadeden yollarından biri de elektrokimyasal indirgeme adı verilen bir işlemdir. Ancak ticari olarak uygulanabilir olması için, bu işlemin daha fazla istenen karbonca zengin ürün seçmek veya üretmek üzere iyileştirilmesi gerekmektedir. Nature Energy dergisinde bildirildiği üzere, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab), yardımcı reaksiyon için kullanılan bakır katalizörünün yüzeyini iyileştirmek ve böylece işlemin seçiciliğini artırmak için yeni bir yöntem geliştirdi.
Berkeley Laboratuvarı Kimya Bilimleri Bölümü'nde kıdemli bilim insanı ve Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'de kimya mühendisliği profesörü olan Alexis Spell, "Bakırın bu reaksiyon için en iyi katalizör olduğunu bilsek de, istenen ürün için yüksek seçicilik sağlamadığını" söyledi. "Ekibimiz, bu tür bir seçicilik sağlamak için katalizörün yerel ortamından çeşitli yöntemler kullanılabileceğini keşfetti."
Önceki çalışmalarda, araştırmacılar ticari değere sahip karbonca zengin ürünler oluşturmak için en iyi elektriksel ve kimyasal ortamı sağlayacak kesin koşulları belirlemişlerdir. Ancak bu koşullar, su bazlı iletken malzemeler kullanan tipik yakıt hücrelerinde doğal olarak oluşan koşulların tam tersidir.
Enerji Bakanlığı'nın Sıvı Güneş Işığı İttifakı'nın Enerji İnovasyon Merkezi projesi kapsamında, yakıt hücresi su ortamında kullanılabilecek tasarımı belirlemek amacıyla Bell ve ekibi, belirli yüklü moleküllerin (iyonların) geçmesine izin veren, diğer iyonları ise dışlayan ince bir iyonomer tabakasına yöneldi. Son derece seçici kimyasal özellikleri nedeniyle, mikroortam üzerinde güçlü bir etkiye sahip olmak için özellikle uygundurlar.
Bell grubunda doktora sonrası araştırmacı olan ve makalenin ilk yazarı Chanyeon Kim, bakır katalizörlerin yüzeyini iki yaygın iyonomer olan Nafion ve Sustainion ile kaplamayı önerdi. Ekip, bunun katalizörün yakınındaki ortamı (pH, su ve karbondioksit miktarı dahil) bir şekilde değiştirerek reaksiyonu, kolayca faydalı kimyasallara ve sıvı yakıtlara dönüştürülebilen karbonca zengin ürünler üretmeye yönlendireceğini varsaydı.
Araştırmacılar, polimer bir malzeme ile desteklenen bakır filme her bir iyonomerin ince bir tabakasını ve iki iyonomerin çift katmanını uygulayarak, el şeklinde bir elektrokimyasal hücrenin bir ucuna yakın bir yere yerleştirebilecekleri bir film oluşturdular. Pilin içine karbondioksit enjekte edip voltaj uyguladıklarında, pilden geçen toplam akımı ölçtüler. Daha sonra, reaksiyon sırasında bitişik haznede toplanan gaz ve sıvıyı ölçtüler. İki katmanlı durumda, karbonca zengin ürünlerin reaksiyon tarafından tüketilen enerjinin %80'ini oluşturduğunu buldular; bu oran, kaplamasız durumdaki %60'tan daha yüksektir.
Bell, "Bu sandviç kaplama, hem yüksek ürün seçiciliği hem de yüksek aktivite açısından en iyi özellikleri bir araya getiriyor," dedi. Çift katmanlı yüzey sadece karbonca zengin ürünler için uygun olmakla kalmıyor, aynı zamanda güçlü bir akım üreterek aktivitede artışa işaret ediyor.
Araştırmacılar, iyileştirilmiş tepkinin, doğrudan bakırın üzerine kaplamada biriken yüksek CO2 konsantrasyonunun sonucu olduğu sonucuna vardılar. Ek olarak, iki iyonomer arasındaki bölgede biriken negatif yüklü moleküller, daha düşük yerel asitlik üretecektir. Bu kombinasyon, iyonomer filmlerin yokluğunda ortaya çıkma eğiliminde olan konsantrasyon dengesizliklerini telafi eder.
Reaksiyonun verimliliğini daha da artırmak için araştırmacılar, CO2 ve pH'ı artırmak amacıyla iyonomer film gerektirmeyen, daha önce kanıtlanmış bir teknolojiye yöneldiler: darbeli voltaj. Araştırmacılar, çift katmanlı iyonomer kaplamaya darbeli voltaj uygulayarak, kaplamasız bakır ve statik voltaja kıyasla karbonca zengin ürünlerde %250'lik bir artış elde ettiler.
Bazı araştırmacılar çalışmalarını yeni katalizörlerin geliştirilmesine odaklasa da, katalizör keşfi çalışma koşullarını dikkate almaz. 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 hakkındaki anlayışımızı kullandık ve bu bilgiyi katalizör bölgesinin ortamını nasıl değiştireceğimiz konusunda düşünmemize rehberlik etmesi için kullandık" dedi.
Bir sonraki adım, kaplamalı katalizörlerin üretimini genişletmektir. Berkeley Laboratuvarı ekibinin ön deneyleri, ticari uygulamalar için gerekli olan 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 topların kaplanmasını içerebilir” dedi. İkinci bir kaplama katmanı eklemek zorlaşıyor. Bir olasılık, iki kaplamayı bir çözücü içinde karıştırıp birlikte 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 bakınız. Bakır üzerinde çift katmanlı iyonomer kaplama kullanılarak CO2'nin çok karbonlu ürünlere elektro-indirgenmesi için özelleştirilmiş katalizör mikroortamı. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Bu makale aşağıdaki kaynaktan yeniden üretilmiştir. Not: Kaynak, uzunluk ve içerik açısından düzenlenmiş olabilir. Daha fazla bilgi için lütfen belirtilen kaynağa başvurun.
Yayın tarihi: 22 Kasım 2021
