טכנולוגיה חדשה משפרת את ההמרה של פחמן דו חמצני לדלק נוזלי

מלא את הטופס למטה ואנו נשלח לך בדוא"ל את גרסת ה-PDF של "שיפורי טכנולוגיה חדשים להמרת פחמן דו חמצני לדלק נוזלי"
פחמן דו חמצני (CO2) הוא תוצר של שריפת דלקים מאובנים וגז החממה הנפוץ ביותר, שניתן להמיר בחזרה לדלקים שימושיים באופן בר קיימא. אחת הדרכים המבטיחות להמיר פליטות CO2 לחומרי דלק היא תהליך הנקרא הפחתת אלקטרוכימית. אבל כדי להיות בר קיימא מבחינה מסחרית, יש לשפר את התהליך כדי לבחור או לייצר מוצרים עשירים בפחמן רצויים יותר. כעת, כפי שדווח בכתב העת Nature Energy, המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) פיתחה שיטה חדשה לשיפור פני השטח של זרז הנחושת המשמש לתגובת העזר, ובכך להגביר את הסלקטיביות של התהליך.
"למרות שאנו יודעים שנחושת היא הזרז הטוב ביותר לתגובה זו, היא אינה מספקת סלקטיביות גבוהה למוצר הרצוי", אמר אלכסיס, מדען בכיר במחלקה למדעי הכימיה במעבדת ברקלי ופרופסור להנדסה כימית באוניברסיטה מקליפורניה, ברקלי. אמר איות. "הצוות שלנו גילה שאתה יכול להשתמש בסביבה המקומית של הזרז כדי לעשות טריקים שונים כדי לספק סוג כזה של סלקטיביות."
במחקרים קודמים, חוקרים קבעו תנאים מדויקים כדי לספק את הסביבה החשמלית והכימית הטובה ביותר ליצירת מוצרים עשירים בפחמן בעלי ערך מסחרי. אבל תנאים אלה מנוגדים לתנאים המתרחשים באופן טבעי בתאי דלק טיפוסיים המשתמשים בחומרים מוליכים על בסיס מים.
על מנת לקבוע את העיצוב שניתן להשתמש בו בסביבת המים של תאי הדלק, במסגרת פרויקט Energy Innovation Center של Liquid Sunshine Alliance של משרד האנרגיה, פנו בל וצוותו לשכבה דקה של יונומר, המאפשרת טעינה מסויימת. מולקולות (יונים) לעבור דרכן. אל תכלול יונים אחרים. בשל התכונות הכימיות הסלקטיביות שלהם, הם מתאימים במיוחד להשפעה חזקה על המיקרו-סביבה.
Chanyeon Kim, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצת בל והמחבר הראשון של המאמר, הציע לצפות את פני השטח של זרזי נחושת בשני יונומרים נפוצים, Nafion ו-Sustainion. הצוות שיער כי פעולה זו צריכה לשנות את הסביבה ליד הזרז - כולל ה-pH וכמות המים והפחמן הדו חמצני - בדרך כלשהי כדי לכוון את התגובה לייצור מוצרים עשירים בפחמן שניתן להמיר בקלות לכימיקלים שימושיים. מוצרים ודלקים נוזליים.
החוקרים מרחו שכבה דקה של כל יונומר ושכבה כפולה של שני איונומרים על סרט נחושת הנתמך בחומר פולימרי ליצירת סרט, שאותו יכלו להכניס ליד קצה אחד של תא אלקטרוכימי בצורת יד. בעת הזרקת פחמן דו-חמצני לסוללה והפעלת מתח, הם מדדו את סך הזרם הזורם דרך הסוללה. לאחר מכן הם מדדו את הגז והנוזל שנאספו במאגר הסמוך במהלך התגובה. במקרה הדו-שכבתי, הם מצאו שמוצרים עשירים בפחמן היוו 80% מהאנרגיה הנצרכת בתגובה - יותר מ-60% במקרה הלא מצופה.
"ציפוי סנדוויץ' זה מספק את הטוב משני העולמות: סלקטיביות גבוהה של מוצר ופעילות גבוהה", אמר בל. המשטח הדו-שכבתי לא רק טוב למוצרים עשירים בפחמן, אלא גם מייצר זרם חזק בו זמנית, המעיד על עלייה בפעילות.
החוקרים הגיעו למסקנה שהתגובה המשופרת היא תוצאה של ריכוז ה-CO2 הגבוה שהצטבר בציפוי ישירות על גבי הנחושת. בנוסף, מולקולות טעונות שלילי המצטברות באזור שבין שני היונומרים ייצרו חומציות מקומית נמוכה יותר. שילוב זה מקזז את פשרות הריכוז הנוטות להתרחש בהיעדר סרטי יונומרים.
על מנת לשפר עוד יותר את יעילות התגובה, החוקרים פנו לטכנולוגיה שהוכחה בעבר שאינה דורשת סרט יונומר כשיטה נוספת להגברת ה-CO2 וה-pH: מתח דופק. על ידי הפעלת מתח פועם על ציפוי היונומר הדו-שכבתי, החוקרים השיגו עלייה של 250% במוצרים עשירים בפחמן בהשוואה לנחושת לא מצופה ולמתח סטטי.
למרות שחלק מהחוקרים ממקדים את עבודתם בפיתוח זרזים חדשים, גילוי הזרז אינו לוקח בחשבון את תנאי ההפעלה. שליטה בסביבה על משטח הזרז היא שיטה חדשה ושונה.
"לא המצאנו זרז חדש לחלוטין, אלא השתמשנו בהבנה שלנו של קינטיקה של תגובה והשתמשנו בידע הזה כדי להנחות אותנו בחשיבה כיצד לשנות את הסביבה של אתר הזרז", אמר אדם ובר, מהנדס בכיר. מדענים בתחום טכנולוגיית האנרגיה במעבדות ברקלי ומחברים משותפים של מאמרים.
השלב הבא הוא הרחבת הייצור של זרזים מצופים. הניסויים המקדימים של צוות מעבדת ברקלי כללו מערכות מודל שטוחות קטנות, שהיו הרבה יותר פשוטות מהמבנים הנקבוביים בשטח גדול הנדרשים ליישומים מסחריים. "לא קשה ליישם ציפוי על משטח ישר. אבל שיטות מסחריות עשויות לכלול ציפוי כדורי נחושת זעירים", אמר בל. הוספת שכבה שנייה של ציפוי הופכת למאתגרת. אפשרות אחת היא לערבב ולהפקיד את שני הציפויים יחד בממס, ולקוות שהם נפרדים כאשר הממס מתאדה. מה אם הם לא? בל סיכם: "אנחנו רק צריכים להיות חכמים יותר". עיין ב- Kim C, Bui JC, Luo X ואחרים. מיקרו-סביבה זרז מותאם אישית להפחתת אלקטרו של CO2 למוצרים מרובי פחמן באמצעות ציפוי יונומר דו-שכבתי על נחושת. נאט אנרג'י. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
מאמר זה משוחזר מהחומר הבא. הערה: ייתכן שהחומר נערך באורך ובתוכן. למידע נוסף, אנא פנה למקור המצוטט.