טכנולוגיה חדשה משפרת את המרת הפחמן הדו-חמצני לדלק נוזלי

מלאו את הטופס למטה ונשלח לכם בדוא"ל גרסת PDF של "שיפורים טכנולוגיים חדשים להמרת פחמן דו-חמצני לדלק נוזלי".
פחמן דו-חמצני (CO2) הוא תוצר של שריפת דלקים מאובנים והוא גז החממה הנפוץ ביותר, אשר ניתן להמירו בחזרה לדלקים שימושיים באופן בר-קיימא. דרך מבטיחה אחת להמיר פליטות CO2 לחומר גלם לדלק היא תהליך הנקרא חיזור אלקטרוכימי. אך כדי שיהיה 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 לורנס ברקלי (Berkeley Lab) פיתחה שיטה חדשה לשיפור פני השטח של זרז הנחושת המשמש לתגובת העזר, ובכך להגדיל את הסלקטיביות של התהליך.
"למרות שאנו יודעים שנחושת היא הזרז הטוב ביותר לתגובה זו, היא אינה מספקת סלקטיביות גבוהה לתוצר הרצוי", אמר אלכסיס, מדען בכיר במחלקה למדעי הכימיה במעבדת ברקלי ופרופסור להנדסה כימית באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. ספל אמר. "הצוות שלנו מצא שניתן להשתמש בסביבה המקומית של הזרז כדי לבצע טריקים שונים כדי לספק סוג זה של סלקטיביות."
במחקרים קודמים, חוקרים קבעו תנאים מדויקים כדי לספק את הסביבה החשמלית והכימית הטובה ביותר ליצירת מוצרים עשירים בפחמן בעלי ערך מסחרי. אך 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 מים של תאי דלק, כחלק מפרויקט מרכז החדשנות באנרגיה של Liquid Sunshine Alliance של משרד האנרגיה, בל וצוותו פנו לשכבה דקה של יונומר, המאפשרת למולקולות טעונות מסוימות (יונים) לעבור דרכה. יש להוציא יונים אחרים. בשל תכונותיהם הכימיות הסלקטיביות ביותר, הם מתאימים במיוחד להשפעה חזקה על המיקרו-סביבה.
צ'אניון קים, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצת בל והמחבר הראשון של המאמר, הציע לצפות את פני השטח של זרזים מנחושת בשני יונומרים נפוצים, נאפיון וסאסטייניון. הצוות שיער כי פעולה זו אמורה לשנות את הסביבה ליד הזרז - כולל רמת החומציות (pH) וכמות המים והפחמן הדו-חמצני - בצורה כלשהי כדי לכוון את התגובה לייצור תוצרים עשירים בפחמן שניתן להמיר בקלות לכימיקלים שימושיים. תוצרים ודלקים נוזליים.
החוקרים מרחו שכבה דקה של כל יונומר ושכבה כפולה של שני יונומרים על סרט נחושת הנתמך על ידי חומר פולימרי ליצירת סרט, אותו יכלו להכניס ליד קצה אחד של תא אלקטרוכימי בצורת יד. בעת הזרקת פחמן דו-חמצני לסוללה והפעלת מתח, הם מדדו את הזרם הכולל הזורם דרך הסוללה. לאחר מכן הם מדדו את הגז והנוזל שנאספו במאגר הסמוך במהלך התגובה. במקרה של שתי שכבות, הם מצאו שתוצרים עשירים בפחמן היוו 80% מהאנרגיה שנצרכה בתגובה - יותר מ-60% במקרה ללא ציפוי.
"ציפוי סנדוויץ' זה מספק את הטוב שבשני העולמות: סלקטיביות גבוהה של המוצר ופעילות גבוהה", אמר בל. המשטח הכפול לא רק טוב למוצרים עשירים בפחמן, אלא גם מייצר זרם חזק בו זמנית, דבר המצביע על עלייה בפעילות.
החוקרים הסיקו כי התגובה המשופרת נבעה מריכוז CO2 הגבוה שהצטבר בציפוי ישירות על גבי הנחושת. בנוסף, מולקולות טעונות שליליות המצטברות באזור שבין שני היונומרים ייצרו חומציות מקומית נמוכה יותר. שילוב זה מקזז את פשרות הריכוז הנוטות להתרחש בהיעדר שכבות יונומרים.
על מנת לשפר עוד יותר את יעילות התגובה, החוקרים פנו לטכנולוגיה שהוכחה בעבר ואינה דורשת שכבת יונומר כשיטה נוספת להגברת רמות ה-CO2 וה-pH: מתח פעימות. על ידי הפעלת מתח פעימות על ציפוי היונומר הכפול, החוקרים השיגו עלייה של 250% בתוצרים עשירים בפחמן בהשוואה לנחושת לא מצופה ולמתח סטטי.
למרות שחוקרים מסוימים ממקדים את עבודתם בפיתוח זרזים חדשים, גילוי הזרז אינו מתחשב בתנאי ההפעלה. שליטה בסביבה על פני הזרז היא שיטה חדשה ושונה.
"לא המצאנו זרז חדש לגמרי, אלא השתמשנו בהבנה שלנו את קינטיקה של תגובה והשתמשנו בידע הזה כדי להנחות אותנו לחשוב כיצד לשנות את הסביבה של אתר הזרז", אמר אדם וובר, מהנדס בכיר. מדענים בתחום טכנולוגיית האנרגיה במעבדות ברקלי ושותף לכתיבת מאמרים.
השלב הבא הוא להרחיב את ייצור הזרזים המצופים. הניסויים המקדימים של צוות מעבדת ברקלי כללו מערכות מודל שטוחות קטנות, שהיו פשוטות בהרבה מהמבנים הנקבוביים בעלי שטח גדול הנדרשים ליישומים מסחריים. "לא קשה למרוח ציפוי על משטח שטוח. אבל שיטות מסחריות עשויות לכלול ציפוי כדורי נחושת זעירים", אמר בל. הוספת שכבה שנייה של ציפוי הופכת למאתגרת. אפשרות אחת היא לערבב ולשקוע את שני הציפויים יחד בממס, ולקוות שהם ייפרדו כאשר הממס יתאדה. מה אם לא? בל סיכם: "אנחנו פשוט צריכים להיות חכמים יותר". ראו Kim C, Bui JC, Luo X ואחרים. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
מאמר זה משוכפל מהחומר הבא. הערה: ייתכן שהחומר עבר עריכה מבחינת אורכו ותוכנו. למידע נוסף, אנא צרו קשר עם המקור המצוטט.