فناوری جدید، تبدیل دی اکسید کربن به سوخت مایع را بهبود می‌بخشد

فرم زیر را پر کنید تا نسخه PDF «پیشرفت‌های جدید فناوری برای تبدیل دی‌اکسید کربن به سوخت مایع» را برای شما ایمیل کنیم.
دی اکسید کربن (CO2) محصول سوختن سوخت‌های فسیلی و رایج‌ترین گاز گلخانه‌ای است که می‌تواند به شیوه‌ای پایدار به سوخت‌های مفید تبدیل شود. یکی از راه‌های امیدوارکننده برای تبدیل انتشار CO2 به مواد اولیه سوخت، فرآیندی به نام کاهش الکتروشیمیایی است. اما برای اینکه این فرآیند از نظر تجاری مقرون به صرفه باشد، باید بهبود یابد تا محصولات غنی از کربن مطلوب‌تری انتخاب یا تولید شوند. اکنون، همانطور که در مجله Nature Energy گزارش شده است، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) روش جدیدی را برای بهبود سطح کاتالیزور مس مورد استفاده برای واکنش کمکی توسعه داده است و در نتیجه گزینش‌پذیری فرآیند را افزایش می‌دهد.
الکسیس، دانشمند ارشد گروه علوم شیمی آزمایشگاه برکلی و استاد مهندسی شیمی در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گفت: «اگرچه می‌دانیم که مس بهترین کاتالیزور برای این واکنش است، اما گزینش‌پذیری بالایی برای محصول مورد نظر فراهم نمی‌کند.» اسپل گفت. «تیم ما دریافت که می‌توان از محیط محلی کاتالیزور برای انجام ترفندهای مختلف برای ارائه این نوع گزینش‌پذیری استفاده کرد.»
در مطالعات قبلی، محققان شرایط دقیقی را برای فراهم کردن بهترین محیط الکتریکی و شیمیایی برای ایجاد محصولات غنی از کربن با ارزش تجاری ایجاد کرده‌اند. اما این شرایط برخلاف شرایطی است که به طور طبیعی در سلول‌های سوختی معمولی با استفاده از مواد رسانای پایه آب رخ می‌دهد.
به منظور تعیین طرحی که می‌تواند در محیط آبی پیل سوختی مورد استفاده قرار گیرد، به عنوان بخشی از پروژه مرکز نوآوری انرژی اتحاد Liquid Sunshine وزارت انرژی، بل و تیمش به یک لایه نازک از یونومر روی آوردند که به مولکول‌های باردار خاص (یون‌ها) اجازه عبور می‌دهد. یون‌های دیگر را حذف می‌کند. به دلیل خواص شیمیایی بسیار انتخابی آنها، آنها به ویژه برای تأثیرگذاری قوی بر ریزمحیط مناسب هستند.
چانیون کیم، محقق پسادکترا در گروه بل و نویسنده اول مقاله، پیشنهاد داد که سطح کاتالیزورهای مس را با دو یونومر رایج، نفیون و ساستاین، پوشش دهند. این تیم فرض کرد که انجام این کار باید محیط نزدیک کاتالیزور - از جمله pH و مقدار آب و دی اکسید کربن - را به نحوی تغییر دهد تا واکنش را به سمت تولید محصولات غنی از کربن هدایت کند که به راحتی می‌توانند به مواد شیمیایی مفید، محصولات و سوخت‌های مایع تبدیل شوند.
محققان یک لایه نازک از هر یونومر و یک لایه دوتایی از دو یونومر را روی یک فیلم مسی که توسط یک ماده پلیمری پشتیبانی می‌شود، اعمال کردند تا یک فیلم تشکیل دهند که می‌توانستند آن را نزدیک یک انتهای یک سلول الکتروشیمیایی به شکل دست قرار دهند. هنگام تزریق دی اکسید کربن به باتری و اعمال ولتاژ، کل جریان عبوری از باتری را اندازه‌گیری کردند. سپس گاز و مایع جمع‌آوری شده در مخزن مجاور را در طول واکنش اندازه‌گیری کردند. برای حالت دو لایه، آنها دریافتند که محصولات غنی از کربن 80٪ از انرژی مصرف شده توسط واکنش را تشکیل می‌دهند - که در حالت بدون پوشش بیش از 60٪ است.
بل گفت: «این پوشش ساندویچی بهترین‌های هر دو جهان را ارائه می‌دهد: گزینش‌پذیری بالای محصول و فعالیت بالا.» سطح دولایه نه تنها برای محصولات غنی از کربن مناسب است، بلکه همزمان جریان قوی‌ای نیز تولید می‌کند که نشان‌دهنده افزایش فعالیت است.
محققان نتیجه گرفتند که بهبود پاسخ، نتیجه غلظت بالای CO2 انباشته شده در پوشش مستقیماً روی مس است. علاوه بر این، مولکول‌های دارای بار منفی که در ناحیه بین دو یونومر تجمع می‌یابند، اسیدیته موضعی کمتری تولید می‌کنند. این ترکیب، بده بستان‌های غلظت را که در غیاب لایه‌های یونومر رخ می‌دهند، جبران می‌کند.
به منظور بهبود بیشتر راندمان واکنش، محققان به یک فناوری قبلاً اثبات شده که نیازی به فیلم یونومر ندارد، به عنوان روش دیگری برای افزایش CO2 و pH روی آوردند: ولتاژ پالسی. با اعمال ولتاژ پالسی به پوشش یونومر دو لایه، محققان در مقایسه با مس بدون پوشش و ولتاژ استاتیک، به افزایش 250 درصدی محصولات غنی از کربن دست یافتند.
اگرچه برخی از محققان کار خود را بر توسعه کاتالیزورهای جدید متمرکز می‌کنند، اما کشف کاتالیزور شرایط عملیاتی را در نظر نمی‌گیرد. کنترل محیط روی سطح کاتالیزور روشی جدید و متفاوت است.
آدام وبر، مهندس ارشد، دانشمند حوزه فناوری انرژی در آزمایشگاه‌های برکلی و یکی از نویسندگان مقالات، گفت: «ما یک کاتالیزور کاملاً جدید ابداع نکردیم، بلکه از درک خود از سینتیک واکنش استفاده کردیم و از این دانش برای هدایت خود در تفکر در مورد چگونگی تغییر محیط محل کاتالیزور استفاده کردیم.»
گام بعدی، گسترش تولید کاتالیزورهای پوشش‌دار است. آزمایش‌های اولیه تیم آزمایشگاه برکلی شامل سیستم‌های مدل مسطح کوچک بود که بسیار ساده‌تر از ساختارهای متخلخل با مساحت بزرگ مورد نیاز برای کاربردهای تجاری بودند. بل گفت: «اعمال پوشش روی یک سطح صاف دشوار نیست. اما روش‌های تجاری ممکن است شامل پوشش‌دهی توپ‌های مسی کوچک باشد.» افزودن یک لایه دوم پوشش چالش‌برانگیز می‌شود. یک امکان این است که دو پوشش را در یک حلال با هم مخلوط و رسوب دهیم و امیدوار باشیم که وقتی حلال تبخیر می‌شود، از هم جدا شوند. اگر این اتفاق نیفتد چه؟ بل نتیجه گرفت: «ما فقط باید باهوش‌تر باشیم.» به Kim C، Bui JC، Luo X و دیگران مراجعه کنید. ریزمحیط کاتالیزور سفارشی برای کاهش الکتریکی CO2 به محصولات چند کربنی با استفاده از پوشش یونومر دو لایه روی مس. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
این مقاله از مطالب زیر کپی شده است. توجه: ممکن است این مطلب از نظر طول و محتوا ویرایش شده باشد. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً با منبع ذکر شده تماس بگیرید.