Niniejszy artykuł został zweryfikowany zgodnie z procedurami i zasadami redakcyjnymi Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, dbając jednocześnie o integralność treści:
Dwutlenek węgla (CO2) jest zarówno niezbędnym surowcem dla życia na Ziemi, jak i gazem cieplarnianym przyczyniającym się do globalnego ocieplenia. Obecnie naukowcy badają dwutlenek węgla jako obiecujące źródło do produkcji odnawialnych, niskoemisyjnych paliw i wysokowartościowych produktów chemicznych.
Wyzwaniem dla naukowców jest znalezienie wydajnych i ekonomicznych sposobów przekształcania dwutlenku węgla w wysokiej jakości półprodukty węglowe, takie jak tlenek węgla, metanol czy kwas mrówkowy.
Zespół badawczy pod kierownictwem KK Neuerlina z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) oraz współpracowników z Argonne National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory znalazł obiecujące rozwiązanie tego problemu. Zespół opracował metodę konwersji kwasu mrówkowego z dwutlenku węgla, wykorzystującą odnawialną energię elektryczną, charakteryzującą się wysoką efektywnością energetyczną i trwałością.
Badanie zatytułowane „Skalowalna architektura zespołu elektrod membranowych do wydajnej elektrochemicznej konwersji dwutlenku węgla na kwas mrówkowy” zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.
Kwas mrówkowy to potencjalny półprodukt chemiczny o szerokim spektrum zastosowań, zwłaszcza jako surowiec w przemyśle chemicznym i biologicznym. Kwas mrówkowy został również zidentyfikowany jako surowiec do biorafinacji w celu uzyskania czystego paliwa lotniczego.
Elektroliza CO2 powoduje redukcję CO2 do związków chemicznych, takich jak kwas mrówkowy lub cząsteczki, takie jak etylen, gdy do ogniwa elektrolitycznego przyłoży się potencjał elektryczny.
Zespół membrany i elektrody (MEA) w elektrolizerze składa się zazwyczaj z membrany przewodzącej jony (membrany kationowymiennej lub anionowymiennej) umieszczonej pomiędzy dwiema elektrodami składającymi się z elektrokatalizatora i polimeru przewodzącego jony.
Wykorzystując wiedzę zespołu w zakresie technologii ogniw paliwowych i elektrolizy wodoru, naukowcy zbadali kilka konfiguracji MEA w ogniwach elektrolitycznych, aby porównać elektrochemiczną redukcję CO2 do kwasu mrówkowego.
Opierając się na analizie awarii różnych projektów, zespół postanowił wykorzystać ograniczenia istniejących zestawów materiałów, w szczególności brak odrzucania jonów w obecnych membranach anionowymiennych, i uprościć ogólną konstrukcję systemu.
Wynalazek KS Neierlina i Leiminga Hu z NREL to ulepszony elektrolizer MEA wykorzystujący nową perforowaną membranę kationowymienną. Ta perforowana membrana zapewnia równomierną, wysoce selektywną produkcję kwasu mrówkowego i upraszcza projektowanie dzięki wykorzystaniu gotowych komponentów.
„Wyniki tego badania stanowią zmianę paradygmatu w elektrochemicznej produkcji kwasów organicznych, takich jak kwas mrówkowy” – powiedział współautor Neierlin. „Perforowana struktura membrany zmniejsza złożoność poprzednich projektów i może być również wykorzystana do poprawy efektywności energetycznej i trwałości innych urządzeń do elektrochemicznej konwersji dwutlenku węgla”.
Jak w przypadku każdego przełomu naukowego, ważne jest zrozumienie czynników kosztowych i opłacalności ekonomicznej. Pracując w różnych działach, badacze z NREL, Zhe Huang i Tao Ling, przedstawili analizę techniczno-ekonomiczną, wskazując sposoby osiągnięcia parytetu kosztów z obecnymi procesami przemysłowej produkcji kwasu mrówkowego, gdy koszt energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych wynosi 2,3 centa za kilowatogodzinę lub mniej.
„Zespół osiągnął te wyniki, wykorzystując dostępne komercyjnie katalizatory i materiały membran polimerowych, jednocześnie opracowując projekt MEA, który wykorzystuje skalowalność nowoczesnych ogniw paliwowych i zakładów elektrolizy wodoru” – powiedział Neierlin.
„Wyniki tych badań mogą pomóc w przekształcaniu dwutlenku węgla w paliwa i chemikalia przy użyciu odnawialnej energii elektrycznej i wodoru, przyspieszając przejście na skalę przemysłową i komercjalizację”.
Technologie konwersji elektrochemicznej stanowią kluczowy element programu NREL „Elektrony na cząsteczki”, który koncentruje się na odnawialnym wodorze nowej generacji, paliwach zerowych, chemikaliach i materiałach do procesów napędzanych elektrycznie.
„Nasz program bada sposoby wykorzystania energii odnawialnej do przekształcania cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla i woda, w związki, które mogą służyć jako źródła energii” – powiedział Randy Cortright, dyrektor strategii NREL w zakresie transferu elektronów i/lub prekursorów w produkcji paliw lub chemikaliów.
„Badania nad konwersją elektrochemiczną stanowią przełom, który można wykorzystać w wielu procesach konwersji elektrochemicznej. Z niecierpliwością czekamy na bardziej obiecujące wyniki prac tej grupy”.
Więcej informacji: Leiming Hu i in., Skalowalna architektura zespołu elektrod membranowych do wydajnej konwersji elektrochemicznej CO2 na kwas mrówkowy, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Jeśli natkniesz się na literówkę, nieścisłość lub chcesz zgłosić prośbę o edycję treści na tej stronie, skorzystaj z tego formularza. W przypadku pytań ogólnych prosimy o skorzystanie z naszego formularza kontaktowego. Aby przesłać opinię, skorzystaj z sekcji komentarzy publicznych poniżej (postępuj zgodnie z instrukcjami).
Twoja opinia jest dla nas bardzo ważna. Jednak ze względu na dużą liczbę wiadomości nie możemy zagwarantować spersonalizowanej odpowiedzi.
Twój adres e-mail służy wyłącznie do poinformowania odbiorców o nadawcy wiadomości. Ani Twój adres, ani adres odbiorcy nie będą wykorzystywane do żadnych innych celów. Podane przez Ciebie informacje pojawią się w Twojej wiadomości e-mail i nie będą przechowywane przez Tech Xplore w żadnej formie.
Ta strona internetowa używa plików cookie, aby ułatwić nawigację, analizować sposób korzystania z naszych usług, zbierać dane personalizacyjne reklam i udostępniać treści pochodzące od stron trzecich. Korzystając z naszej strony internetowej, potwierdzasz, że zapoznałeś się z naszą Polityką Prywatności i Warunkami Korzystania i je rozumiesz.