Îmbunătățirea eficienței sistemelor electrochimice de extracție și conversie a carbonului

De

Coloranții sunt utilizați pentru a determina nivelul concentrației de dioxid de carbon din apă. În stânga este un material care atrage gazul și vopseaua indică faptul că dioxidul de carbon este concentrat în apropierea catalizatorului. Credit: grup de cercetare Varanasi

Noul design ar putea accelera viteza de reacție pentru a elimina carbonul din deșeurile centralelor electrice din sistemele electrochimice.

Sistemele de captare și conversie a dioxidului de carbon din deșeurile centralelor electrice pot fi un instrument important pentru stoparea schimbărilor climatice, dar majoritatea sunt relativ ineficiente și costisitoare. Acum cercetătorii Cu a dezvoltat o metodă care ar putea crește semnificativ performanța sistemelor care utilizează suprafețe catalitice pentru a crește rata reacțiilor electrochimice de separare a carbonului.

Astfel de sisteme catalitice sunt o opțiune atractivă pentru extracția carbonului, deoarece pot produce produse utile și scumpe, cum ar fi combustibilul pentru transport sau materii prime chimice. Acest produs ajută la subvenționarea procesului prin acoperirea costului reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră.

În aceste sisteme, un flux de gaz, care conține de obicei dioxid de carbon, trece prin apă pentru a furniza dioxid de carbon pentru o reacție electrochimică. Mișcarea prin apă este lentă, ceea ce încetinește rata de conversie a dioxidului de carbon. Noul design asigură că fluxul de dioxid de carbon este concentrat în apă lângă suprafața catalizatorului. Această concentrație poate dubla aproape performanța sistemului, așa cum au arătat cercetătorii.

Rezultatele sunt descrise în jurnalul de astăzi Rapoarte celulare Științe fizice MIT postdoc Sami Khan SM ’15 PhD ’19, în prezent profesor asociat la Universitatea Simon Fraser, profesori MIT în inginerie mecanică Kripa Varanasi și Yang Shao-Horn și recent absolvent Jonathan Hwan Ph19 ‘.

“Separarea dioxidului de carbon este o sarcină dificilă a timpului nostru”, a spus Varanasi. Există o serie de abordări care includ sechestrarea geologică, conservarea oceanelor, mineralizarea și conversia chimică. Când vine vorba de producerea de produse utile, comercializabile din acest gaz cu efect de seră, conversia electrochimică este deosebit de promițătoare, dar trebuie îmbunătățită pentru a fi viabilă din punct de vedere economic. „Scopul muncii noastre a fost să înțelegem care este cel mai mare obstacol în acest proces și să îmbunătățim sau să ameliorăm această tulpină”, spune el.

Crăpătura a implicat livrarea de dioxid de carbon pe suprafața catalitică, pe care cercetătorii au descoperit-o că ajută la modificările chimice necesare. În aceste sisteme electrochimice, un flux de gaze care conțin dioxid de carbon este spumat și amestecat cu apă sub presiune sau într-un vas echipat cu electrozi dintr-un material catalizator, cum ar fi cuprul. Tensiunea este apoi aplicată pentru a intensifica reacțiile chimice care produc compuși de carbon care pot fi transformați în combustibil sau alte produse.

Există două probleme cu astfel de sisteme: reacția se desfășoară atât de repede încât consumă rezervele de dioxid de carbon care ajung la catalizator mai repede decât este alimentat; și dacă da, reacția competitivă – împărțirea apei în hidrogen și oxigen – poate absorbi și dilua o mare parte din energia consumată în reacție.

Eforturile anterioare de optimizare a acestor reacții prin texturarea suprafețelor catalizatorului pentru a crește suprafața de reacție nu au dat rezultatele scontate deoarece livrarea de dioxid de carbon la suprafață nu a crescut viteza de reacție și, astfel, trecerea la producția de hidrogen în timp.

Cercetătorii au rezolvat aceste probleme folosind o suprafață de absorbție a gazelor plasată aproape de materialul catalizator. Acest material este un material „gazos”, superhidrofob, cu textură specială, care respinge apa, dar permite păstrarea unui strat neted de gaz numit plastron pe suprafața sa. Păstrează fluxul de dioxid de carbon care intră împotriva catalizatorului, astfel încât reacțiile de conversie la dioxidul de carbon dorit să poată fi maximizate.

O suprafață cu o textură specială care atrage gazul

În stânga, bula lovește o suprafață care atrage un gaz special texturat și se răspândește pe suprafață, în timp ce în dreapta, bula lovește o suprafață netratată și pur și simplu sare afară. Suprafața reprelucrată este utilizată în noua lucrare pentru a menține dioxidul de carbon aproape de catalizator. Credit: grup de cercetare Varanasi

Folosind valorile pH-ului pe bază de coloranți, cercetătorii au vizualizat gradienții concentrației de dioxid de carbon din celula de testare și au arătat că concentrația crescută de dioxid de carbon a ieșit din plastron.

Concentrația dioxidului de carbon în apă

Aici, coloranții sunt folosiți pentru a determina nivelul concentrației de dioxid de carbon din apă. Verde indică zone mai concentrate de dioxid de carbon, în timp ce albastru indică zone epuizate. Zona verde din stânga indică faptul că dioxidul de carbon stă lângă catalizator din cauza materialului absorbant de gaze. Credit: grup de cercetare Varanasi

Folosind această configurație, viteza de reacție a conversiei carbonului a fost aproape dublată într-o serie de experimente de laborator. Acest lucru a continuat în timp, iar în experimentele anterioare reacția a dispărut rapid. Sistemul a produs rate mari de potențiali combustibili auto – etilenă, propanol și etanol. Între timp, evoluția hidrogenului competitiv a fost redusă drastic. Deși noul sistem de operare permite ajustarea precisă a sistemului pentru a produce amestecul de produse dorit, în unele aplicații optimizarea producției de hidrogen ca combustibil poate fi rezultatul dorit, care poate fi, de asemenea, atins.

„O metrică importantă este selectivitatea”, spune Han, referindu-se la capacitatea de a forma compuși valoroși care rezultă dintr-un amestec specific de materiale, texturi și solicitări și de a ajusta configurația la rezultatul dorit.

Prin concentrarea dioxidului de carbon lângă suprafața catalizatorului, noul sistem a produs doi noi compuși de carbon potențial utili, acetonă și acetat, care nu fuseseră detectați anterior în mod semnificativ în niciun sistem electrochimic.

În această lucrare inițială de laborator, o singură bandă de material hidrofob, gazos a fost plasată lângă un singur electrod de cupru, dar în lucrările viitoare, Varanasi speculează că placa practică poate fi realizată folosind un set de plăci cu strat dublu.

Comparativ cu lucrările anterioare privind reducerea carbonului electrochimic folosind catalizatori nanostructurați, Varanasi spune: „Suntem semnificativ superiori tuturor, deoarece chiar dacă este același catalizator, oferim un dioxid de carbon care schimbă jocul”.

„Acesta este un mod complet inovator de a transfera dioxidul de carbon către un electrolizator”, spune Ifan Stephens, profesor de inginerie materială. London Imperial College, fără legătură cu acest studiu. „Autorii traduc conceptele de mecanică a fluidelor utilizate în industria petrolului și gazelor în producția de combustibili electrolitici. Cred că o astfel de fertilizare încrucișată din diferite domenii este foarte interesantă. ”

Stevens adaugă: “Reducerea dioxidului de carbon are un potențial mare ca metodă de producere a substanțelor chimice de platformă, cum ar fi etilena din deșeurile de electricitate, apă și dioxid de carbon. Etilena se formează în prezent prin crăparea hidrocarburilor cu lanț lung din combustibili fosili; producția poate elibera cantități mari de dioxid de carbon în atmosferă. Această metodă ar putea duce la o reducere mai eficientă a dioxidului de carbon, ceea ce ar putea distanța societatea noastră de încrederea noastră în combustibilii fosili. “

Context: „Plastonii catalizatori proximal îmbunătățesc activitatea și selectivitatea electroreducției cu dioxid de carbon” de Sami Han, Jonathan Hwan, Yang-Shao Horn și Kripa K. Varanasi, 25 ianuarie 2021, Rapoarte celulare Științe fizice.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2020.100318

Studiul a fost susținut de firma energetică italiană Eni SpA și de școala canadiană NSERC PGS-D prin Inițiativa MIT Energy.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Hrănirea unei diete occidentale dăunează sistemului imunitar intestinal – Inflamația, poate crește riscul de infecție

Figura de mai sus prezintă un model 3D mic de intestine format din celule antiinflamatorii cunoscute sub numele de celule pantele (verzi și roșii)...

Noul sistem de propulsie poate permite zborul la viteze de până la 17 Mach

Este prezentat un plan de concept hipersonic, alimentat de un motor de undă de detonare oblică. Credit de imagine de fundal: NASA. ...

Arheologii sunt pionierii unei noi tehnologii de sortare a ceramicii antice

„Râul” șirurilor Tusayan White Ware arată schimbări în designul tipului de la cel mai tânăr la cel mai tânăr. Un studiu aprofundat va...

Rețelele de bază ale creierului imaginației – Subrețele separate care modelează și evaluează scenariile imaginare

Nu Society for Neuroscience 17 mai 2021 O subrețea creează scenarii imaginare, în timp ce cealaltă le evaluează. Două componente ale imaginației - proiectarea și evaluarea scenariilor...

O gaură neagră amestecă permanent informații care nu pot fi recuperate

O nouă teoremă arată că informațiile care sunt rulate printr-un codificator de informații, cum ar fi o gaură neagră, vor ajunge la un punct...

Newsletter

Subscribe to stay updated.