เทคโนโลยีใหม่ปรับปรุงการแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว

กรอกแบบฟอร์มด้านล่างแล้วเราจะส่ง "การปรับปรุงเทคโนโลยีใหม่เพื่อแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว" ในรูปแบบ PDF ให้คุณทางอีเมล
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นผลมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและก๊าซเรือนกระจกที่พบบ่อยที่สุด ซึ่งสามารถเปลี่ยนกลับเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ได้อย่างยั่งยืน วิธีหนึ่งที่มีแนวโน้มในการแปลงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวัตถุดิบเชื้อเพลิงคือกระบวนการที่เรียกว่าการลดเคมีไฟฟ้า แต่เพื่อให้สามารถนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ กระบวนการนี้จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพื่อเลือกหรือผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งเป็นที่ต้องการมากขึ้น ขณะนี้ตามที่รายงานในวารสาร Nature Energy ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการปรับปรุงพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ใช้สำหรับปฏิกิริยาเสริมซึ่งจะช่วยเพิ่มการเลือกสรรของกระบวนการ
“แม้ว่าเราจะรู้ว่าทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยานี้ แต่ก็ไม่ได้ให้ความสามารถในการเลือกสรรสูงสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ” อเล็กซิส นักวิทยาศาสตร์อาวุโสในภาควิชาวิทยาศาสตร์เคมีที่ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีที่มหาวิทยาลัยกล่าว แห่งแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ สะกดว่า. “ทีมงานของเราพบว่าคุณสามารถใช้สภาพแวดล้อมในท้องถิ่นของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อทำกลเม็ดต่างๆ เพื่อให้เกิดการคัดเลือกเช่นนี้”
ในการศึกษาก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้สร้างเงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าและเคมีที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งมีมูลค่าทางการค้า แต่สภาวะเหล่านี้ขัดแย้งกับสภาวะที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปที่ใช้วัสดุนำไฟฟ้าที่มีน้ำเป็นหลัก
เพื่อกำหนดการออกแบบที่สามารถนำมาใช้ในสภาพแวดล้อมน้ำเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการศูนย์นวัตกรรมพลังงานของกลุ่มพันธมิตรซันไชน์เหลวของกระทรวงพลังงาน เบลล์และทีมงานของเขาได้หันไปหาชั้นไอโอโนเมอร์บาง ๆ ซึ่งช่วยให้มีประจุที่แน่นอน โมเลกุล (ไอออน) ให้ผ่านไปได้ ไม่รวมไอออนอื่น ๆ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางเคมีที่คัดสรรมาอย่างดี จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการมีผลกระทบอย่างมากต่อสภาพแวดล้อมระดับจุลภาค
Chanyeon Kim นักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่ม Bell และเป็นผู้เขียนรายงานฉบับแรก เสนอให้เคลือบพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงด้วยไอโอโนเมอร์ทั่วไปสองตัวคือ Nafion และ Sustainion ทีมงานตั้งสมมติฐานว่าการทำเช่นนี้ควรเปลี่ยนสภาพแวดล้อมใกล้กับตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงค่า pH และปริมาณน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ในทางใดทางหนึ่งเพื่อควบคุมปฏิกิริยาเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ได้อย่างง่ายดาย ผลิตภัณฑ์และเชื้อเพลิงเหลว
นักวิจัยได้ใช้ชั้นบางๆ ของไอโอโนเมอร์แต่ละตัวและไอโอโนเมอร์ 2 ชั้นอีก 2 ชั้นกับฟิล์มทองแดงที่รองรับด้วยวัสดุโพลีเมอร์เพื่อสร้างฟิล์ม ซึ่งสามารถแทรกเข้าไปใกล้ปลายด้านหนึ่งของเซลล์ไฟฟ้าเคมีรูปทรงมือได้ เมื่อฉีดคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในแบตเตอรี่และใช้แรงดันไฟฟ้า พวกเขาจะวัดกระแสทั้งหมดที่ไหลผ่านแบตเตอรี่ จากนั้นจึงตรวจวัดก๊าซและของเหลวที่สะสมอยู่ในแหล่งกักเก็บที่อยู่ติดกันระหว่างการทำปฏิกิริยา สำหรับกรณีแบบสองชั้น พวกเขาพบว่าผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนคิดเป็น 80% ของพลังงานที่ใช้โดยปฏิกิริยา ซึ่งสูงกว่า 60% ในกรณีที่ไม่เคลือบผิว
“การเคลือบแซนวิชนี้มอบสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก: มีการเลือกผลิตภัณฑ์สูงและมีกิจกรรมสูง” เบลล์กล่าว พื้นผิวสองชั้นไม่เพียงแต่ดีสำหรับผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังสร้างกระแสไฟฟ้าแรงในเวลาเดียวกัน ซึ่งบ่งบอกถึงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น
นักวิจัยสรุปว่าการตอบสนองที่ดีขึ้นเป็นผลมาจากความเข้มข้นของ CO2 สูงที่สะสมอยู่ในสารเคลือบที่อยู่ด้านบนของทองแดงโดยตรง นอกจากนี้ โมเลกุลที่มีประจุลบซึ่งสะสมอยู่ในบริเวณระหว่างไอโอโนเมอร์ทั้งสองจะทำให้เกิดความเป็นกรดในท้องถิ่นลดลง การรวมกันนี้จะชดเชยการแลกเปลี่ยนความเข้มข้นที่มักจะเกิดขึ้นเมื่อไม่มีฟิล์มไอโอโนเมอร์
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาให้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยได้หันมาใช้เทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วก่อนหน้านี้ว่าไม่ต้องใช้ฟิล์มไอโอโนเมอร์ เป็นอีกวิธีหนึ่งในการเพิ่ม CO2 และ pH ซึ่งก็คือแรงดันพัลซิ่ง ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าพัลซ์กับการเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้น นักวิจัยได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนเพิ่มขึ้น 250% เมื่อเทียบกับทองแดงที่ไม่เคลือบผิวและแรงดันไฟฟ้าคงที่
แม้ว่านักวิจัยบางคนจะมุ่งความสนใจไปที่การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ แต่การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้คำนึงถึงสภาพการทำงานด้วย การควบคุมสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวิธีการใหม่และแตกต่าง
“เราไม่ได้คิดค้นตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ทั้งหมด แต่ใช้ความเข้าใจเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา และใช้ความรู้นี้เพื่อเป็นแนวทางในการคิดเกี่ยวกับวิธีเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของบริเวณตัวเร่งปฏิกิริยา” Adam Weber วิศวกรอาวุโสกล่าว นักวิทยาศาสตร์ในสาขาเทคโนโลยีพลังงานที่ Berkeley Laboratories และผู้ร่วมเขียนบทความ
ขั้นตอนต่อไปคือการขยายการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเคลือบ การทดลองเบื้องต้นของทีม Berkeley Lab เกี่ยวข้องกับระบบแบบจำลองแบนขนาดเล็ก ซึ่งง่ายกว่าโครงสร้างที่มีรูพรุนในพื้นที่ขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ “การเคลือบบนพื้นผิวเรียบไม่ใช่เรื่องยาก แต่วิธีการเชิงพาณิชย์อาจเกี่ยวข้องกับการเคลือบลูกบอลทองแดงขนาดเล็ก” เบลล์กล่าว การเพิ่มการเคลือบชั้นที่สองกลายเป็นเรื่องที่ท้าทาย ความเป็นไปได้ประการหนึ่งคือการผสมและวางสารเคลือบทั้งสองเข้าด้วยกันในตัวทำละลาย และหวังว่าจะแยกออกจากกันเมื่อตัวทำละลายระเหย เกิดอะไรขึ้นถ้าพวกเขาไม่ได้? เบลล์สรุป: “เราแค่ต้องฉลาดกว่านี้” อ้างถึง Kim C, Bui JC, Luo X และอื่นๆ สภาพแวดล้อมจุลภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาแบบกำหนดเองสำหรับการลดการใช้ไฟฟ้าของ CO2 ไปเป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนหลายชั้นโดยใช้การเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นบนทองแดง แนท เอ็นเนอร์จี. 2021;6(11):1026-1034. ดอย:10.1038/s41560-021-00920-8
บทความนี้ทำซ้ำจากเนื้อหาต่อไปนี้ หมายเหตุ: เนื้อหาอาจมีการแก้ไขความยาวและเนื้อหา หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อแหล่งข่าวที่อ้างถึง