تعمل التكنولوجيا الجديدة على تحسين تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل

املأ النموذج أدناه وسنرسل إليك عبر البريد الإلكتروني نسخة PDF من "تحسينات التكنولوجيا الجديدة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل"
ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو نتاج حرق الوقود الأحفوري والغازات الدفيئة الأكثر شيوعا، والتي يمكن تحويلها مرة أخرى إلى وقود مفيد بطريقة مستدامة. إحدى الطرق الواعدة لتحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى مواد خام للوقود هي عملية تسمى التخفيض الكهروكيميائي. ولكن لكي تكون هذه العملية مجدية تجاريا، فإنها تحتاج إلى تحسين لاختيار أو إنتاج المزيد من المنتجات الغنية بالكربون المرغوبة. الآن، كما ورد في مجلة Nature Energy، طور مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) طريقة جديدة لتحسين سطح المحفز النحاسي المستخدم في التفاعل المساعد، وبالتالي زيادة انتقائية العملية.
وقال ألكسيس، أحد كبار العلماء في قسم العلوم الكيميائية في مختبر بيركلي وأستاذ الهندسة الكيميائية في الجامعة: "على الرغم من أننا نعلم أن النحاس هو أفضل محفز لهذا التفاعل، إلا أنه لا يوفر انتقائية عالية للمنتج المطلوب". كاليفورنيا، بيركلي. قال التعويذة. "وجد فريقنا أنه يمكنك استخدام البيئة المحلية للمحفز للقيام بحيل مختلفة لتوفير هذا النوع من الانتقائية."
وفي دراسات سابقة، وضع الباحثون شروطًا دقيقة لتوفير أفضل بيئة كهربائية وكيميائية لإنتاج منتجات غنية بالكربون ذات قيمة تجارية. لكن هذه الظروف تتعارض مع الظروف التي تحدث بشكل طبيعي في خلايا الوقود النموذجية التي تستخدم مواد موصلة تعتمد على الماء.
ومن أجل تحديد التصميم الذي يمكن استخدامه في بيئة المياه التي تعمل بخلايا الوقود، كجزء من مشروع مركز ابتكار الطاقة التابع لتحالف Liquid Sunshine التابع لوزارة الطاقة، تحول بيل وفريقه إلى طبقة رقيقة من الأيونومر، والتي تسمح بشحنات معينة الجزيئات (الأيونات) للمرور. استبعاد الأيونات الأخرى. نظرًا لخصائصها الكيميائية الانتقائية للغاية، فهي مناسبة بشكل خاص لإحداث تأثير قوي على البيئة الدقيقة.
اقترح تشانيون كيم، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة بيل والمؤلف الأول للورقة البحثية، طلاء سطح المحفزات النحاسية باثنين من المتماثرات الشاردة المشتركة، Nafion وSustainion. افترض الفريق أن القيام بذلك يجب أن يغير البيئة القريبة من المحفز - بما في ذلك الرقم الهيدروجيني وكمية الماء وثاني أكسيد الكربون - بطريقة ما لتوجيه التفاعل لإنتاج منتجات غنية بالكربون يمكن تحويلها بسهولة إلى مواد كيميائية مفيدة. المنتجات والوقود السائل.
طبق الباحثون طبقة رقيقة من كل أيونومر وطبقة مزدوجة من اثنين من الأيونومر على طبقة نحاسية مدعومة بمادة بوليمر لتشكيل فيلم، يمكنهم إدراجه بالقرب من أحد طرفي خلية كهروكيميائية على شكل يد. عند حقن ثاني أكسيد الكربون في البطارية وتطبيق الجهد الكهربي، قاموا بقياس إجمالي التيار المتدفق عبر البطارية. ثم قاموا بقياس الغاز والسائل المتجمع في الخزان المجاور أثناء التفاعل. بالنسبة للحالة المكونة من طبقتين، وجدوا أن المنتجات الغنية بالكربون تمثل 80% من الطاقة التي يستهلكها التفاعل، وهي نسبة أعلى من 60% في الحالة غير المطلية.
قال بيل: "يوفر طلاء الساندويتش هذا أفضل ما في العالمين: انتقائية عالية للمنتج ونشاط عالي". السطح ذو الطبقة المزدوجة ليس جيدًا فقط للمنتجات الغنية بالكربون، ولكنه أيضًا يولد تيارًا قويًا في نفس الوقت، مما يشير إلى زيادة النشاط.
وخلص الباحثون إلى أن الاستجابة المحسنة كانت نتيجة للتركيز العالي لثاني أكسيد الكربون المتراكم في الطلاء مباشرة فوق النحاس. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجزيئات سالبة الشحنة التي تتراكم في المنطقة الواقعة بين المتماثرين ستنتج حموضة محلية أقل. يعوض هذا المزيج مقايضات التركيز التي تميل إلى الحدوث في غياب أفلام الأيونومر.
من أجل زيادة تحسين كفاءة التفاعل، تحول الباحثون إلى تقنية مثبتة مسبقًا والتي لا تتطلب فيلم أيونومر كطريقة أخرى لزيادة ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة: الجهد النبضي. من خلال تطبيق الجهد النبضي على طبقة الأيونومر المزدوجة، حقق الباحثون زيادة بنسبة 250٪ في المنتجات الغنية بالكربون مقارنة بالنحاس غير المطلي والجهد الساكن.
على الرغم من أن بعض الباحثين يركزون عملهم على تطوير محفزات جديدة، إلا أن اكتشاف المحفز لا يأخذ في الاعتبار ظروف التشغيل. يعد التحكم في البيئة على سطح المحفز طريقة جديدة ومختلفة.
وقال آدم ويبر، أحد كبار المهندسين: "لم نتوصل إلى محفز جديد تمامًا، ولكننا استخدمنا فهمنا لحركية التفاعل واستخدمنا هذه المعرفة لإرشادنا في التفكير في كيفية تغيير بيئة موقع المحفز". علماء في مجال تكنولوجيا الطاقة في مختبرات بيركلي وشارك في تأليف الأوراق البحثية.
والخطوة التالية هي توسيع إنتاج المحفزات المغلفة. تضمنت التجارب الأولية التي أجراها فريق مختبر بيركلي أنظمة نماذج مسطحة صغيرة، والتي كانت أبسط بكثير من الهياكل المسامية ذات المساحة الكبيرة المطلوبة للتطبيقات التجارية. "ليس من الصعب تطبيق طلاء على سطح مستو. وقال بيل: "لكن الأساليب التجارية قد تنطوي على طلاء كرات نحاسية صغيرة". إن إضافة طبقة ثانية من الطلاء يصبح أمرًا صعبًا. أحد الاحتمالات هو خلط الطبقتين ووضعهما معًا في مذيب، على أمل أن ينفصلا عندما يتبخر المذيب. ماذا لو لم يفعلوا ذلك؟ وخلص بيل إلى القول: "نحن فقط بحاجة إلى أن نكون أكثر ذكاءً". ارجع إلى Kim C وBui JC وLuo X وآخرين. بيئة دقيقة محفزة مخصصة للتخفيض الكهربائي لثاني أكسيد الكربون إلى منتجات متعددة الكربون باستخدام طلاء أيونومر مزدوج الطبقة على النحاس. نات للطاقة. 2021;6(11):1026-1034. دوى:10.1038/s41560-021-00920-8
هذه المقالة مستنسخة من المواد التالية. ملحوظة: ربما تم تحرير المادة من حيث الطول والمحتوى. لمزيد من المعلومات يرجى الاتصال بالمصدر المذكور.