Điền vào mẫu dưới đây và chúng tôi sẽ gửi email cho bạn phiên bản PDF của “Những cải tiến công nghệ mới để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu lỏng”
Carbon dioxide (CO2) là sản phẩm của quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và là loại khí nhà kính phổ biến nhất, có thể được chuyển đổi trở lại thành nhiên liệu hữu ích một cách bền vững. Một phương pháp đầy hứa hẹn để chuyển đổi khí thải CO2 thành nguyên liệu nhiên liệu là quá trình khử điện hóa. Tuy nhiên, để khả thi về mặt thương mại, quy trình này cần được cải tiến để lựa chọn hoặc sản xuất các sản phẩm giàu carbon mong muốn hơn. Hiện nay, theo báo cáo trên tạp chí Nature Energy, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) đã phát triển một phương pháp mới để cải thiện bề mặt của chất xúc tác đồng được sử dụng cho phản ứng phụ, qua đó tăng tính chọn lọc của quy trình.
"Mặc dù chúng tôi biết rằng đồng là chất xúc tác tốt nhất cho phản ứng này, nhưng nó không mang lại độ chọn lọc cao cho sản phẩm mong muốn", Alexis, nhà khoa học cao cấp tại Khoa Khoa học Hóa học thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học California, Berkeley, cho biết. Spell nói. "Nhóm chúng tôi phát hiện ra rằng bạn có thể sử dụng môi trường cục bộ của chất xúc tác để thực hiện nhiều thủ thuật khác nhau nhằm mang lại độ chọn lọc này."
Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu đã thiết lập các điều kiện chính xác để cung cấp môi trường điện và hóa học tốt nhất cho việc tạo ra các sản phẩm giàu carbon có giá trị thương mại. Tuy nhiên, những điều kiện này trái ngược với các điều kiện tự nhiên xảy ra trong pin nhiên liệu thông thường sử dụng vật liệu dẫn điện gốc nước.
Để xác định thiết kế có thể sử dụng trong môi trường nước của pin nhiên liệu, như một phần của dự án Trung tâm Đổi mới Năng lượng thuộc Liên minh Ánh sáng Lỏng của Bộ Năng lượng, Bell và nhóm của ông đã nghiên cứu một lớp ionomer mỏng, cho phép một số phân tử tích điện (ion) đi qua. Loại trừ các ion khác. Nhờ tính chất hóa học có tính chọn lọc cao, chúng đặc biệt phù hợp để tác động mạnh mẽ đến môi trường vi mô.
Chanyeon Kim, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm Bell và là tác giả đầu tiên của bài báo, đã đề xuất phủ bề mặt chất xúc tác đồng bằng hai ionomer phổ biến là Nafion và Sustainion. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc làm như vậy sẽ thay đổi môi trường xung quanh chất xúc tác - bao gồm độ pH, lượng nước và carbon dioxide - theo một cách nào đó để hướng phản ứng tạo ra các sản phẩm giàu carbon có thể dễ dàng chuyển đổi thành các hóa chất hữu ích. Các sản phẩm này bao gồm các sản phẩm và nhiên liệu lỏng.
Các nhà nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng của mỗi ionomer và một lớp kép gồm hai ionomer lên một màng đồng được hỗ trợ bởi vật liệu polymer để tạo thành một màng, mà họ có thể chèn vào gần một đầu của một pin điện hóa hình bàn tay. Khi bơm carbon dioxide vào pin và cấp điện áp, họ đã đo tổng dòng điện chạy qua pin. Sau đó, họ đo lượng khí và chất lỏng thu được trong bình chứa liền kề trong quá trình phản ứng. Đối với trường hợp hai lớp, họ phát hiện ra rằng các sản phẩm giàu carbon chiếm 80% năng lượng tiêu thụ của phản ứng—cao hơn 60% so với trường hợp không phủ.
"Lớp phủ sandwich này mang lại lợi thế tốt nhất của cả hai yếu tố: độ chọn lọc sản phẩm cao và hoạt tính cao", Bell nói. Bề mặt hai lớp không chỉ tốt cho các sản phẩm giàu carbon mà còn tạo ra dòng điện mạnh cùng lúc, cho thấy sự gia tăng hoạt tính.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng phản ứng được cải thiện là kết quả của nồng độ CO2 cao tích tụ trong lớp phủ ngay trên lớp đồng. Ngoài ra, các phân tử tích điện âm tích tụ trong vùng giữa hai ionomer sẽ tạo ra độ axit cục bộ thấp hơn. Sự kết hợp này bù đắp cho sự đánh đổi nồng độ thường xảy ra khi không có lớp màng ionomer.
Để cải thiện hiệu suất phản ứng hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang một công nghệ đã được chứng minh trước đây, không cần màng ionomer, như một phương pháp khác để tăng CO2 và pH: điện áp xung. Bằng cách áp dụng điện áp xung lên lớp phủ ionomer hai lớp, các nhà nghiên cứu đã đạt được mức tăng 250% sản phẩm giàu carbon so với đồng không phủ và điện áp tĩnh.
Mặc dù một số nhà nghiên cứu tập trung công việc của họ vào việc phát triển các chất xúc tác mới, nhưng việc phát hiện ra chất xúc tác không tính đến các điều kiện vận hành. Kiểm soát môi trường trên bề mặt chất xúc tác là một phương pháp mới và khác biệt.
"Chúng tôi không tạo ra một chất xúc tác hoàn toàn mới, mà sử dụng hiểu biết về động học phản ứng và kiến thức này để định hướng suy nghĩ về cách thay đổi môi trường của vị trí chất xúc tác", Adam Weber, một kỹ sư cao cấp, nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ năng lượng tại Phòng thí nghiệm Berkeley và đồng tác giả của các bài báo, cho biết.
Bước tiếp theo là mở rộng sản xuất chất xúc tác phủ. Các thí nghiệm sơ bộ của nhóm Berkeley Lab liên quan đến các hệ thống mô hình phẳng nhỏ, đơn giản hơn nhiều so với các cấu trúc xốp diện tích lớn cần thiết cho các ứng dụng thương mại. "Việc phủ một lớp phủ lên bề mặt phẳng không khó. Nhưng các phương pháp thương mại có thể liên quan đến việc phủ những viên bi đồng nhỏ", Bell nói. Việc thêm một lớp phủ thứ hai trở nên khó khăn. Một khả năng là trộn và lắng đọng hai lớp phủ lại với nhau trong một dung môi, và hy vọng rằng chúng sẽ tách ra khi dung môi bay hơi. Còn nếu chúng không tách ra thì sao? Bell kết luận: "Chúng ta chỉ cần thông minh hơn." Tham khảo Kim C, Bui JC, Luo X và những người khác. Môi trường vi mô xúc tác tùy chỉnh để khử điện CO2 thành các sản phẩm đa cacbon bằng cách sử dụng lớp phủ ionomer hai lớp trên đồng. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Bài viết này được trích dẫn từ tài liệu sau. Lưu ý: Tài liệu có thể đã được chỉnh sửa về độ dài và nội dung. Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với nguồn được trích dẫn.
Thời gian đăng: 22-11-2021
