Если бы исследователи смогли найти способ химического превращения углекислого газа в топливо или другие продукты, они могли бы существенно сократить выбросы парниковых газов. Но многие такие процессы, которые казались многообещающими в лаборатории, не показали ожидаемых результатов в форматах, которые подходили бы для использования на электростанциях или других источниках выбросов.
Исследователи из Массачусетского технологического института определили, оценили и смоделировали основную причину низкой производительности таких систем преобразования. Виновником оказывается местное истощение углекислого газа прямо рядом с электродами, используемыми для катализа конверсии. Команда обнаружила, что проблему можно решить, просто отключая и включая ток через определенные промежутки времени, давая время газу восстановиться до необходимого уровня рядом с электродом.
Результаты, которые могут стимулировать прогресс в разработке различных материалов и конструкций для систем электрохимического преобразования углекислого газа, были опубликованы в журнале Langmuir в статье постдока Массачусетского технологического института Альваро Морено Сото, аспиранта Джека Лейка и профессора машиностроения. Крипа Варанаси.
«Снижение уровня выбросов углекислого газа, я думаю, является одной из важных задач нашего времени», — говорит Варанаси. В то время как большая часть исследований в этой области была сосредоточена на улавливании и связывании углерода, при котором газ закачивается в какой-то глубокий подземный резервуар или преобразуется в инертное твердое вещество — известняк, другим многообещающим направлением является преобразование газа в виды углерода — метан или этанол, используемые в качестве топлива, или этилен, который служит предшественником полезных полимеров.
Существует несколько способов осуществления таких преобразований, включая электрохимические, термокаталитические, фототермические или фотохимические процессы. «У каждого из них есть проблемы или пробелы», — говорит Варанаси. По его словам, термические процессы требуют очень высокой температуры, и они не производят ценных химических продуктов, что также является проблемой для процессов, активируемых светом.
Команда сосредоточилась на электрохимических подходах с целью получения «продуктов с более высоким содержанием углерода» — соединений, которые содержат больше атомов углерода и, как правило, являются более ценным топливом из-за содержания энергии на единицу веса или объема. В этих реакциях самой большой проблемой было сдерживание конкурирующих реакций, которые могут происходить одновременно, особенно расщепления молекул воды на кислород и водород.
Реакции протекают при протекании потока жидкого электролита с растворенной в нем двуокисью углерода по металлической каталитической поверхности, имеющей электрический заряд. Но по мере превращения диоксида углерода он оставляет в потоке электролита область, где он был в основном израсходован, и поэтому реакция в этой обедненной зоне вместо этого поворачивается в сторону расщепления воды. Исследователи обнаружили, что эта нежелательная реакция потребляет энергию и значительно снижает общую эффективность процесса преобразования.
«Над этим работает несколько групп, и есть несколько катализаторов», — говорит Варанаси. «Во всем этом, я думаю, коэволюция водорода становится узким местом».
Ученые обнаружили, что один из способов противодействия этому истощению может быть достигнут с помощью импульсной системы — цикла простого отключения напряжения, остановки реакции и предоставления углекислому газу времени, чтобы распространиться обратно в обедненную зону и снова достичь пригодных для использования уровней, и затем возобновление реакции.
Часто, говорят исследователи, группы находили многообещающие каталитические материалы, но не проводили свои лабораторные испытания достаточно долго, чтобы наблюдать эти эффекты истощения, и поэтому терпели неудачу в попытках масштабировать свои системы. Кроме того, концентрация углекислого газа рядом с катализатором определяет производимые продукты. Следовательно, истощение может также изменить состав производимых продуктов и сделать процесс ненадежным. «Если вы хотите иметь возможность создать систему, работающую в промышленных масштабах, вам нужно иметь возможность работать в течение длительного периода времени, — говорит Варанаси, — и вам не нужно иметь такие эффекты, которые снижают производительность. эффективность или надежность процесса».
Команда изучила три различных каталитических материала, включая медь, и «мы действительно сосредоточились на том, чтобы убедиться, что мы поняли и можем количественно оценить эффекты истощения», — говорит Лейк. В процессе им удалось разработать простой и надежный способ мониторинга эффективности процесса преобразования путем измерения изменяющихся уровней pH, меры кислотности, в электролите системы.
В своих испытаниях ученые использовали более сложные аналитические инструменты для характеристики продуктов реакции, в том числе газовую хроматографию для анализа газообразных продуктов и определение характеристик методом ядерного магнитного резонанса для жидких продуктов системы. Но их анализ показал, что простое измерение pH электролита рядом с электродом во время работы может обеспечить достаточную меру эффективности реакции по мере ее развития.
По словам Морено, эта возможность легко контролировать реакцию в режиме реального времени может в конечном итоге привести к созданию системы, оптимизированной с помощью методов машинного обучения, контролирующей скорость производства желаемых соединений посредством непрерывной обратной связи.
Исследователи говорят, что теперь, когда этот процесс понятен и определен количественно, могут быть разработаны другие подходы к уменьшению истощения углекислого газа, и их можно легко протестировать с использованием их методов.
Изображение: Лаборатория Варанаси
Дополнительная информация: Альваро Моренои др., Переходные эффекты, вызванные истощением газа во время электровосстановления углекислого газа, Ленгмюр (2022). DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c02540
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Опубликуйте материал о ваших технологиях, проектах, стратапах
hello@technovery.com