เทคโนโลยีใหม่ช่วยปรับปรุงการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว

กรอกแบบฟอร์มด้านล่างและเราจะส่งอีเมลถึงคุณในรูปแบบ PDF ของ "การปรับปรุงเทคโนโลยีใหม่เพื่อเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงเหลว"
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นผลผลิตจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและก๊าซเรือนกระจกที่พบมากที่สุด ซึ่งสามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ได้อย่างยั่งยืนวิธีหนึ่งที่มีแนวโน้มว่าจะเปลี่ยนการปล่อย CO2 เป็นเชื้อเพลิงตั้งต้นคือกระบวนการที่เรียกว่าการลดการใช้ไฟฟ้าเคมีแต่เพื่อให้เกิดผลในเชิงพาณิชย์ กระบวนการจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพื่อเลือกหรือผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนที่ต้องการมากขึ้นตามรายงานในวารสาร Nature Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ได้พัฒนาวิธีการใหม่เพื่อปรับปรุงพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ใช้สำหรับปฏิกิริยาเสริม ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกของกระบวนการ
“แม้ว่าเราจะรู้ว่าทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยานี้ แต่ก็ไม่ได้ให้การเลือกสูงสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ” อเล็กซิส นักวิทยาศาสตร์อาวุโสในภาควิชาวิทยาศาสตร์เคมีของ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีของมหาวิทยาลัยกล่าว แห่งแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์สเปลล์กล่าวว่า"ทีมของเราพบว่าคุณสามารถใช้สภาพแวดล้อมในท้องถิ่นของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อทำกลอุบายต่างๆ เพื่อให้มีการคัดเลือกแบบนี้ได้"
ในการศึกษาก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้กำหนดเงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อให้สภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าและเคมีที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนและมีมูลค่าทางการค้าแต่เงื่อนไขเหล่านี้ตรงกันข้ามกับเงื่อนไขที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปโดยใช้วัสดุนำไฟฟ้าที่เป็นน้ำ
เพื่อกำหนดการออกแบบที่สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมน้ำของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Energy Innovation Center ของ Liquid Sunshine Alliance ของกระทรวงพลังงาน Bell และทีมงานของเขาได้หันไปหาไอโอโนเมอร์ชั้นบาง ๆ ซึ่งช่วยให้มีประจุบางอย่าง โมเลกุล (ไอออน) ที่จะผ่านไม่รวมไอออนอื่นๆเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่มีการเลือกสรรสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการมีผลกระทบอย่างมากต่อสภาพแวดล้อมจุลภาค
Chanyeon Kim นักวิจัยหลังปริญญาเอกจาก Bell group และผู้เขียนคนแรกของบทความนี้ เสนอให้เคลือบพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงด้วยไอโอโนเมอร์ทั่วไป 2 ชนิด ได้แก่ Nafion และ Sustainionทีมงานตั้งสมมติฐานว่าการทำเช่นนั้นควรเปลี่ยนสภาพแวดล้อมใกล้กับตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งรวมถึงค่า pH และปริมาณน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ในทางใดทางหนึ่งเพื่อกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ได้ง่ายผลิตภัณฑ์และเชื้อเพลิงเหลว.
นักวิจัยใช้ชั้นบาง ๆ ของไอโอโนเมอร์แต่ละตัวและสองชั้นของไอโอโนเมอร์สองตัวกับฟิล์มทองแดงที่รองรับโดยวัสดุโพลีเมอร์เพื่อสร้างฟิล์ม ซึ่งพวกมันสามารถแทรกใกล้กับปลายด้านหนึ่งของเซลล์ไฟฟ้าเคมีรูปมือเมื่อฉีดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในแบตเตอรี่และใช้แรงดันไฟฟ้า พวกเขาวัดกระแสทั้งหมดที่ไหลผ่านแบตเตอรี่จากนั้นพวกเขาวัดก๊าซและของเหลวที่รวบรวมในอ่างเก็บน้ำที่อยู่ติดกันระหว่างปฏิกิริยาสำหรับกรณีแบบ 2 ชั้น พวกเขาพบว่าผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนคิดเป็น 80% ของพลังงานที่ใช้โดยปฏิกิริยา ซึ่งสูงกว่า 60% ในกรณีที่ไม่เคลือบผิว
“การเคลือบผิวแบบแซนวิชนี้มอบสิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งสองโลก: การเลือกผลิตภัณฑ์สูงและกิจกรรมสูง” เบลล์กล่าวพื้นผิวสองชั้นไม่เพียงแต่ดีสำหรับผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังสร้างกระแสไฟแรงในเวลาเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ถึงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น
นักวิจัยสรุปได้ว่าการตอบสนองที่ดีขึ้นเป็นผลมาจากความเข้มข้นของ CO2 สูงที่สะสมอยู่ในสารเคลือบที่ด้านบนของทองแดงโดยตรงนอกจากนี้ โมเลกุลที่มีประจุลบที่สะสมในบริเวณระหว่างไอโอโนเมอร์ทั้งสองจะทำให้เกิดความเป็นกรดในท้องถิ่นที่ลดลงการรวมกันนี้ช่วยชดเชยการแลกเปลี่ยนความเข้มข้นที่มักจะเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีฟิล์มไอโอโนเมอร์
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาให้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยได้หันไปใช้เทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วก่อนหน้านี้ว่าไม่ต้องใช้ฟิล์มไอโอโนเมอร์เป็นอีกวิธีหนึ่งในการเพิ่ม CO2 และ pH: แรงดันพัลซิ่งด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าแบบพัลซิ่งกับการเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้น นักวิจัยประสบความสำเร็จในผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยคาร์บอนเพิ่มขึ้น 250% เมื่อเทียบกับทองแดงที่ไม่เคลือบผิวและแรงดันไฟฟ้าสถิต
แม้ว่านักวิจัยบางคนจะมุ่งความสนใจไปที่การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ แต่การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้คำนึงถึงสภาพการใช้งานการควบคุมสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวิธีการใหม่และแตกต่างออกไป
Adam Weber วิศวกรอาวุโสกล่าวว่า "เราไม่ได้คิดค้นตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นมาใหม่ทั้งหมด แต่ใช้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาและใช้ความรู้นี้เป็นแนวทางให้เราคิดเกี่ยวกับวิธีเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของไซต์ตัวเร่งปฏิกิริยา"นักวิทยาศาสตร์สาขาเทคโนโลยีพลังงานที่ Berkeley Laboratories และผู้ร่วมเขียนบทความ
ขั้นตอนต่อไปคือการขยายการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเคลือบการทดลองเบื้องต้นของทีม Berkeley Lab เกี่ยวข้องกับระบบแบบจำลองแบนขนาดเล็ก ซึ่งง่ายกว่าโครงสร้างที่มีรูพรุนในพื้นที่ขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์มาก“การทาน้ำยาเคลือบบนพื้นผิวเรียบไม่ใช่เรื่องยากแต่วิธีการเชิงพาณิชย์อาจเกี่ยวข้องกับการเคลือบลูกบอลทองแดงเล็กๆ” เบลล์กล่าวการเพิ่มการเคลือบชั้นที่สองกลายเป็นเรื่องท้าทายความเป็นไปได้ประการหนึ่งคือการผสมและรวมสารเคลือบทั้งสองเข้าด้วยกันในตัวทำละลาย และหวังว่าสารเคลือบทั้งสองจะแยกออกจากกันเมื่อตัวทำละลายระเหยเกิดอะไรขึ้นถ้าพวกเขาไม่?เบลล์สรุป: “เราแค่ต้องฉลาดขึ้น”อ้างถึง Kim C, Bui JC, Luo X และอื่น ๆตัวเร่งปฏิกิริยาสภาพแวดล้อมจุลภาคตัวเร่งปฏิกิริยาแบบกำหนดเองสำหรับการลดการใช้ไฟฟ้าของ CO2 เป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนหลายตัวโดยใช้การเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นบนทองแดงณัฐ พลังงาน.2021;6(11):1026-1034.ดอย:10.1038/s41560-021-00920-8
บทความนี้คัดลอกมาจากเนื้อหาต่อไปนี้หมายเหตุ: เนื้อหาอาจมีการแก้ไขความยาวและเนื้อหาสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อแหล่งอ้างอิง