เทคโนโลยีใหม่ช่วยปรับปรุงการแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว

กรอกแบบฟอร์มด้านล่างและเราจะส่งอีเมลถึงคุณเวอร์ชัน PDF ของ“ การปรับปรุงเทคโนโลยีใหม่เพื่อแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว”
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นผลิตภัณฑ์ของเชื้อเพลิงฟอสซิลที่เผาผลาญและก๊าซเรือนกระจกที่พบมากที่สุดซึ่งสามารถแปลงกลับเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ในลักษณะที่ยั่งยืน วิธีหนึ่งที่มีแนวโน้มในการแปลงการปล่อย CO2 เป็นวัตถุดิบเชื้อเพลิงเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการลดทางเคมีไฟฟ้า แต่เพื่อให้เป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์กระบวนการจะต้องได้รับการปรับปรุงเพื่อเลือกหรือผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนที่ต้องการมากขึ้น ตอนนี้ตามที่รายงานไว้ในวารสาร Nature Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ได้พัฒนาวิธีการใหม่เพื่อปรับปรุงพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ใช้สำหรับปฏิกิริยาเสริมซึ่งจะเป็นการเพิ่มการเลือกกระบวนการ
“ แม้ว่าเราจะรู้ว่าทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยานี้ แต่ก็ไม่ได้ให้การคัดเลือกสูงสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ” อเล็กซิสนักวิทยาศาสตร์อาวุโสในภาควิชาวิทยาศาสตร์เคมีที่ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์กล่าว คาถากล่าว “ ทีมงานของเราพบว่าคุณสามารถใช้สภาพแวดล้อมในท้องถิ่นของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อทำเทคนิคต่าง ๆ เพื่อให้การเลือกประเภทนี้”
ในการศึกษาก่อนหน้านี้นักวิจัยได้กำหนดเงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อให้สภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าและเคมีที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนด้วยมูลค่าทางการค้า แต่เงื่อนไขเหล่านี้ตรงกันข้ามกับเงื่อนไขที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปโดยใช้วัสดุนำไฟฟ้าที่ใช้น้ำ
เพื่อกำหนดการออกแบบที่สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมของน้ำเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการศูนย์นวัตกรรมพลังงานของพันธมิตรซันไชน์เหลวของกระทรวงพลังงานเบลล์และทีมของเขาหันไปหาไอโอโนเมอร์บางชั้นซึ่งช่วยให้โมเลกุลที่มีประจุบางอย่าง (ไอออน) ผ่าน ไม่รวมไอออนอื่น ๆ เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่เลือกสรรสูงพวกเขาจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการมีผลกระทบอย่างมากต่อ microenvironment
ชานยอนคิมนักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มเบลล์และผู้เขียนคนแรกของกระดาษเสนอให้เคลือบพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่มีไอโอโนเมอร์ทั่วไปสองตัวคือนาฟออนและความยั่งยืน ทีมตั้งสมมติฐานว่าการทำเช่นนั้นควรเปลี่ยนสภาพแวดล้อมใกล้ตัวเร่งปฏิกิริยา-รวมถึงค่า pH และปริมาณของน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์-ในบางวิธีที่จะกำกับปฏิกิริยาในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนที่สามารถแปลงเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ได้อย่างง่ายดาย ผลิตภัณฑ์และเชื้อเพลิงเหลว
นักวิจัยใช้เลเยอร์บาง ๆ ของไอโอโนเมอร์แต่ละตัวและสองชั้นของไอโอโนเมอร์สองชั้นกับฟิล์มทองแดงที่ได้รับการสนับสนุนจากวัสดุพอลิเมอร์เพื่อสร้างภาพยนตร์ซึ่งพวกเขาสามารถแทรกใกล้ปลายด้านหนึ่งของเซลล์อิเล็กโทรเคมีรูปมือมือ เมื่อฉีดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในแบตเตอรี่และใช้แรงดันไฟฟ้าพวกเขาจะวัดกระแสทั้งหมดที่ไหลผ่านแบตเตอรี่ จากนั้นพวกเขาก็วัดก๊าซและของเหลวที่เก็บรวบรวมในอ่างเก็บน้ำที่อยู่ติดกันระหว่างปฏิกิริยา สำหรับกรณีสองชั้นพวกเขาพบว่าผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนคิดเป็น 80% ของพลังงานที่ใช้โดยปฏิกิริยา-สูงกว่า 60% ในกรณีที่ไม่เคลือบผิว
“ การเคลือบแซนวิชนี้ให้สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก: การเลือกผลิตภัณฑ์ที่สูงและกิจกรรมสูง” เบลล์กล่าว พื้นผิวสองชั้นไม่เพียง แต่ดีสำหรับผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังสร้างกระแสที่แข็งแกร่งในเวลาเดียวกันซึ่งบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของกิจกรรม
นักวิจัยสรุปว่าการตอบสนองที่ดีขึ้นเป็นผลมาจากความเข้มข้นของ CO2 สูงที่สะสมในการเคลือบโดยตรงที่ด้านบนของทองแดง นอกจากนี้โมเลกุลที่มีประจุลบที่สะสมในภูมิภาคระหว่างไอโอโนเมอร์ทั้งสองจะสร้างความเป็นกรดในท้องถิ่นที่ต่ำกว่า การรวมกันนี้ชดเชยการแลกเปลี่ยนความเข้มข้นที่มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีฟิล์มไอโอโนเมอร์
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาต่อไปนักวิจัยได้หันไปใช้เทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วก่อนหน้านี้ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ฟิล์มไอโอโนเมอร์เป็นอีกวิธีหนึ่งในการเพิ่ม CO2 และ PH: แรงดันไฟฟ้าพัลซิ่ง ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าพัลซิ่งกับการเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นนักวิจัยประสบความสำเร็จในการเพิ่มขึ้น 250% ในผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนเมื่อเทียบกับทองแดงที่ไม่เคลือบผิวและแรงดันไฟฟ้าคงที่
แม้ว่านักวิจัยบางคนจะมุ่งเน้นการทำงานของพวกเขาในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ แต่การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้คำนึงถึงเงื่อนไขการดำเนินงาน การควบคุมสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวิธีใหม่และแตกต่างกัน
“ เราไม่ได้เกิดขึ้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่อย่างสมบูรณ์ แต่ใช้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาและใช้ความรู้นี้เพื่อนำทางเราในการคิดเกี่ยวกับวิธีการเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของไซต์ตัวเร่งปฏิกิริยา” อดัมเวเบอร์วิศวกรอาวุโสกล่าว นักวิทยาศาสตร์ในสาขาเทคโนโลยีพลังงานที่ Berkeley Laboratories และผู้เขียนร่วมของเอกสาร
ขั้นตอนต่อไปคือการขยายการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาเคลือบ การทดลองเบื้องต้นของทีม Berkeley Lab เกี่ยวข้องกับระบบโมเดลขนาดเล็กซึ่งง่ายกว่าโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ “ มันไม่ยากที่จะใช้การเคลือบบนพื้นผิวเรียบ แต่วิธีการเชิงพาณิชย์อาจเกี่ยวข้องกับการเคลือบลูกบอลทองแดงขนาดเล็ก” เบลล์กล่าว การเพิ่มชั้นสองของการเคลือบจะกลายเป็นสิ่งที่ท้าทาย ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือการผสมและฝากสารเคลือบทั้งสองเข้าด้วยกันในตัวทำละลายและหวังว่าพวกเขาจะแยกออกเมื่อตัวทำละลายระเหย ถ้าพวกเขาไม่ทำล่ะ? เบลล์สรุป:“ เราแค่ต้องฉลาดขึ้น” อ้างถึง Kim C, Bui JC, Luo X และอื่น ๆ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่กำหนดเอง microenvironment สำหรับการลดไฟฟ้าของ CO2 ไปยังผลิตภัณฑ์หลายคาร์บอนโดยใช้การเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นบนทองแดง NAT Energy 2021; 6 (11): 1026-1034 ดอย: 10.1038/s41560-021-00920-8
บทความนี้ทำซ้ำจากวัสดุต่อไปนี้ หมายเหตุ: วัสดุอาจได้รับการแก้ไขสำหรับความยาวและเนื้อหา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาติดต่อแหล่งที่มาที่อ้างถึง