See artikkel on läbi vaadatud vastavalt Science X-i toimetusprotseduuridele ja -poliitikale. Toimetajad on sisu terviklikkuse tagamisel rõhutanud järgmisi omadusi:
Süsinikdioksiid (CO2) on nii eluks Maal oluline ressurss kui ka kasvuhoonegaas, mis aitab kaasa globaalsele soojenemisele. Tänapäeval uurivad teadlased süsinikdioksiidi kui paljulubavat ressurssi taastuvate, vähese süsinikuheitega kütuste ja kõrge väärtusega keemiatoodete tootmiseks.
Teadlaste ees seisab väljakutse leida tõhusad ja kulutõhusad viisid süsinikdioksiidi muundamiseks kvaliteetseteks süsiniku vaheühenditeks, näiteks süsinikmonooksiidiks, metanooliks või sipelghappeks.
Riikliku Taastuvenergia Laboratooriumi (NREL) teadlase KK Neuerlini juhitud uurimisrühm koos Argonne'i Riikliku Laboratooriumi ja Oak Ridge'i Riikliku Laboratooriumi kaastöötajatega on sellele probleemile leidnud paljulubava lahenduse. Meeskond töötas välja konversioonimeetodi sipelghappe tootmiseks süsinikdioksiidist taastuvenergia abil, millel on kõrge energiatõhusus ja vastupidavus.
Uuring pealkirjaga „Skaleeritava membraan-elektroodi komplekti arhitektuur süsinikdioksiidi tõhusaks elektrokeemiliseks muundamiseks sipelghappeks“ avaldati ajakirjas Nature Communications.
Sipelghape on potentsiaalne keemiline vaheühend, millel on lai valik rakendusi, eriti toorainena keemia- või bioloogiatööstuses. Sipelghapet on identifitseeritud ka toorainena biorafineerimiseks puhtaks lennukikütuseks.
CO2 elektrolüüsi tulemusel redutseeritakse CO2 keemilisteks vaheühenditeks, näiteks sipelghappeks, või molekulideks, näiteks etüleeniks, kui elektrolüüsikambrile rakendatakse elektrilist potentsiaali.
Elektrolüsaatori membraan-elektroodi sõlm (MEA) koosneb tavaliselt ioonjuhtivast membraanist (katioon- või anioonvahetusmembraanist), mis on asetatud kahe elektroodi vahele, mis koosnevad elektrokatalüsaatorist ja ioonjuhtivast polümeerist.
Kasutades meeskonna teadmisi kütuseelementide tehnoloogiate ja vesinikelektrolüüsi alal, uurisid nad elektrolüütilistes rakkudes mitmeid MEA konfiguratsioone, et võrrelda CO2 elektrokeemilist redutseerimist sipelghappeks.
Erinevate konstruktsioonide rikete analüüsi põhjal püüdis meeskond ära kasutada olemasolevate materjalikomplektide piiranguid, eriti ioonide hülgamise puudumist praegustes anioonvahetusmembraanides, ja lihtsustada süsteemi üldist konstruktsiooni.
NREL-i KS Neierlini ja Leiming Hu leiutis oli täiustatud MEA elektrolüüser, mis kasutas uut perforeeritud katioonvahetusmembraani. See perforeeritud membraan tagab ühtlase ja väga selektiivse sipelghappe tootmise ning lihtsustab disaini, kasutades standardseid komponente.
„Selle uuringu tulemused kujutavad endast paradigma muutust orgaaniliste hapete, näiteks sipelghappe, elektrokeemilises tootmises,“ ütles kaasautor Neierlin. „Perforeeritud membraanistruktuur vähendab varasemate konstruktsioonide keerukust ja seda saab kasutada ka teiste elektrokeemiliste süsinikdioksiidi muundamise seadmete energiatõhususe ja vastupidavuse parandamiseks.“
Nagu iga teadusliku läbimurde puhul, on oluline mõista kulutegureid ja majanduslikku teostatavust. NREL-i teadlased Zhe Huang ja Tao Ling esitlesid osakondadeüleseid tehnoökonoomilisi analüüse, milles selgitati välja viise, kuidas saavutada kuluvõrdsus tänapäevaste tööstuslike sipelghappe tootmisprotsessidega, kui taastuvenergia elektrienergia hind on 2,3 senti kilovatt-tunni kohta või alla selle.
„Meeskond saavutas need tulemused kaubanduslikult saadaolevate katalüsaatorite ja polümeermembraanimaterjalide abil, luues samal ajal MEA-disaini, mis kasutab ära tänapäevaste kütuseelementide ja vesinikelektrolüüsijaamade skaleeritavust,“ ütles Neierlin.
„Selle uuringu tulemused aitaksid süsinikdioksiidi taastuvenergia ja vesiniku abil kütusteks ja kemikaalideks muuta, kiirendades üleminekut mastaabisäästule ja turustamisele.“
Elektrokeemilise muundamise tehnoloogiad on NRELi elektronidest molekulideks programmi põhielement, mis keskendub järgmise põlvkonna taastuvale vesinikule, nullkütustele, kemikaalidele ja materjalidele elektriliselt juhitavate protsesside jaoks.
„Meie programm uurib võimalusi taastuvenergia kasutamiseks selliste molekulide nagu süsinikdioksiid ja vesi muundamiseks ühenditeks, mis võivad olla energiaallikad,“ ütles Randy Cortright, NREL-i elektronide ülekande ja/või lähteainete strateegia direktor kütuse või kemikaalide tootmiseks.
„See elektrokeemilise konversiooni uuring pakub läbimurret, mida saab kasutada mitmesugustes elektrokeemilise konversiooni protsessides, ja me ootame sellelt rühmalt veelgi paljutõotavamaid tulemusi.“
Lisateave: Leiming Hu jt, Skaleeritava membraan-elektroodikomplekti arhitektuur CO2 tõhusaks elektrokeemiliseks muundamiseks sipelghappeks, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Kui märkate trükiviga, ebatäpsust või soovite esitada taotluse selle lehe sisu muutmiseks, kasutage palun seda vormi. Üldiste küsimuste korral kasutage meie kontaktvormi. Üldise tagasiside saamiseks kasutage allpool olevat avalike kommentaaride jaotist (järgige juhiseid).
Teie tagasiside on meile väga oluline. Suure sõnumite hulga tõttu ei saa me aga garanteerida personaalset vastust.
Teie e-posti aadressi kasutatakse ainult selleks, et teavitada saajaid, kes e-kirja saatsid. Ei teie ega saaja aadressi ei kasutata muul eesmärgil. Sisestatud teave kuvatakse teie e-kirjas ja Tech Xplore ei salvesta seda mingil kujul.
See veebisait kasutab küpsiseid navigeerimise hõlbustamiseks, teie teenuste kasutamise analüüsimiseks, reklaamide isikupärastamise andmete kogumiseks ja kolmandate osapoolte sisu pakkumiseks. Meie veebisaiti kasutades kinnitate, et olete lugenud ja mõistate meie privaatsuspoliitikat ja kasutustingimusi.