เทคโนโลยีใหม่ช่วยปรับปรุงการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว

กรอกแบบฟอร์มด้านล่างแล้วเราจะส่งไฟล์ PDF ของ “การปรับปรุงเทคโนโลยีใหม่ในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว” ให้กับคุณทางอีเมล
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นผลผลิตจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและก๊าซเรือนกระจกที่พบมากที่สุด ซึ่งสามารถเปลี่ยนกลับเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ได้อย่างยั่งยืน วิธีหนึ่งที่มีแนวโน้มดีในการแปลงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวัตถุดิบเชื้อเพลิงคือกระบวนการที่เรียกว่ากระบวนการรีดักชันด้วยไฟฟ้าเคมี แต่เพื่อให้กระบวนการนี้ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ จำเป็นต้องปรับปรุงกระบวนการนี้เพื่อคัดเลือกหรือผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสูงตามที่ต้องการ ปัจจุบัน ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ (Berkeley Lab) ได้พัฒนาวิธีการใหม่เพื่อปรับปรุงพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ใช้ในปฏิกิริยาเสริม ซึ่งจะช่วยเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกของกระบวนการนี้
“แม้ว่าเราจะรู้ว่าทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยานี้ แต่มันก็ไม่ได้ให้ค่าการเลือกจำเพาะสูงสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ” อเล็กซิส นักวิทยาศาสตร์อาวุโสประจำภาควิชาวิทยาศาสตร์เคมี ห้องปฏิบัติการเบิร์กลีย์ และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าว สเปลล์กล่าว “ทีมของเราพบว่าคุณสามารถใช้สภาพแวดล้อมเฉพาะที่ของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างสรรค์เทคนิคต่างๆ เพื่อให้ได้ค่าการเลือกจำเพาะแบบนี้”
ในการศึกษาก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้กำหนดเงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าและเคมีที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งมีมูลค่าเชิงพาณิชย์ แต่เงื่อนไขเหล่านี้ขัดแย้งกับเงื่อนไขที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปที่ใช้วัสดุนำไฟฟ้าที่มีส่วนประกอบของน้ำ
เพื่อกำหนดรูปแบบการออกแบบที่สามารถนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมน้ำของเซลล์เชื้อเพลิง เบลล์และทีมงานได้เลือกใช้ชั้นไอโอโนเมอร์บางๆ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการศูนย์นวัตกรรมพลังงานของ Liquid Sunshine Alliance สังกัดกระทรวงพลังงาน ซึ่งช่วยให้โมเลกุลที่มีประจุ (ไอออน) บางชนิดสามารถผ่านเข้าไปได้ โดยไม่รวมถึงไอออนอื่นๆ ด้วยคุณสมบัติทางเคมีที่จำเพาะเจาะจงสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมจุลภาค
ชานยอน คิม นักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มเบลล์และผู้เขียนคนแรกของงานวิจัยนี้ เสนอให้เคลือบผิวตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงด้วยไอโอโนเมอร์สองชนิดที่พบบ่อย ได้แก่ นาฟิออนและซัสเทนเนียน ทีมวิจัยตั้งสมมติฐานว่าการทำเช่นนี้น่าจะเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมใกล้กับตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งรวมถึงค่า pH ปริมาณน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อควบคุมปฏิกิริยาให้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ได้อย่างง่ายดาย ผลิตภัณฑ์และเชื้อเพลิงเหลว
นักวิจัยได้นำไอโอโนเมอร์แต่ละชนิดมาเคลือบเป็นชั้นบางๆ และไอโอโนเมอร์สองชั้นสองชิ้นลงบนฟิล์มทองแดงที่ยึดด้วยวัสดุพอลิเมอร์ เพื่อสร้างฟิล์ม ซึ่งสามารถสอดเข้าไปใกล้ปลายด้านหนึ่งของเซลล์ไฟฟ้าเคมีรูปมือได้ เมื่อฉีดคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในแบตเตอรี่และจ่ายแรงดันไฟฟ้า พวกเขาวัดกระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่ไหลผ่านแบตเตอรี่ จากนั้นจึงวัดปริมาณก๊าซและของเหลวที่สะสมอยู่ในแหล่งกักเก็บที่อยู่ติดกันระหว่างปฏิกิริยา สำหรับเคสสองชั้น พวกเขาพบว่าผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนคิดเป็น 80% ของพลังงานที่ใช้ไปในปฏิกิริยา ซึ่งสูงกว่า 60% ในเคสที่ไม่ได้เคลือบ
“การเคลือบแบบแซนด์วิชนี้มอบสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองสิ่ง นั่นคือ การเลือกผลิตภัณฑ์สูงและกิจกรรมสูง” เบลล์กล่าว พื้นผิวสองชั้นนี้ไม่เพียงแต่เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสูงเท่านั้น แต่ยังสร้างกระแสไฟฟ้าแรงสูงในเวลาเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ถึงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น
นักวิจัยสรุปว่าการตอบสนองที่ดีขึ้นเป็นผลมาจากความเข้มข้นของ CO2 ที่สูงซึ่งสะสมอยู่ในสารเคลือบโดยตรงบนทองแดง นอกจากนี้ โมเลกุลที่มีประจุลบซึ่งสะสมในบริเวณระหว่างไอโอโนเมอร์ทั้งสองจะทำให้เกิดความเป็นกรดในบริเวณนั้นที่ลดลง การผสมผสานนี้ช่วยชดเชยการแลกเปลี่ยนความเข้มข้นที่มักเกิดขึ้นเมื่อไม่มีฟิล์มไอโอโนเมอร์
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาให้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยจึงได้หันมาใช้เทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วก่อนหน้านี้ ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ฟิล์มไอโอโนเมอร์เป็นอีกวิธีหนึ่งในการเพิ่ม CO2 และ pH นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์ ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์กับสารเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้น นักวิจัยสามารถเพิ่มปริมาณผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสูงได้ 250% เมื่อเทียบกับทองแดงที่ไม่ได้เคลือบและแรงดันไฟฟ้าสถิต
แม้ว่านักวิจัยบางคนจะมุ่งเน้นงานวิจัยของตนไปที่การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่ แต่การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้คำนึงถึงสภาวะการทำงาน การควบคุมสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจึงเป็นวิธีการใหม่และแตกต่าง
“เราไม่ได้คิดค้นตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นมาใหม่ทั้งหมด แต่ใช้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา และใช้ความรู้นี้เพื่อนำทางเราในการคิดหาวิธีการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของแหล่งตัวเร่งปฏิกิริยา” อดัม เวเบอร์ วิศวกรอาวุโส นักวิทยาศาสตร์ในสาขาเทคโนโลยีพลังงานที่ Berkeley Laboratories และผู้ร่วมเขียนบทความวิจัยกล่าว
ขั้นตอนต่อไปคือการขยายการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเคลือบ การทดลองเบื้องต้นของทีม Berkeley Lab เกี่ยวข้องกับระบบแบบจำลองแบนขนาดเล็ก ซึ่งง่ายกว่าโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์มาก “การเคลือบบนพื้นผิวเรียบนั้นไม่ยาก แต่วิธีการเชิงพาณิชย์อาจเกี่ยวข้องกับการเคลือบลูกบอลทองแดงขนาดเล็ก” เบลล์กล่าว การเพิ่มชั้นเคลือบชั้นที่สองกลายเป็นเรื่องท้าทาย ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือการผสมและเคลือบสารเคลือบทั้งสองเข้าด้วยกันในตัวทำละลาย และหวังว่าสารเคลือบทั้งสองจะแยกตัวออกจากกันเมื่อตัวทำละลายระเหยออกไป แล้วถ้าไม่เป็นเช่นนั้นล่ะ? เบลล์สรุปว่า “เราแค่ต้องฉลาดขึ้น” อ้างอิงจาก Kim C, Bui JC, Luo X และคนอื่นๆ สภาพแวดล้อมจุลภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปรับแต่งได้สำหรับการลด CO2 ด้วยไฟฟ้าให้เป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนหลายชนิดโดยใช้การเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นบนทองแดง Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
บทความนี้คัดลอกมาจากเอกสารต่อไปนี้ หมายเหตุ: เนื้อหาและความยาวอาจมีการแก้ไข หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อแหล่งที่มาที่อ้างอิง