Ezt a cikket a Science X szerkesztői eljárásainak és irányelveinek megfelelően lektoráltuk. A szerkesztők a tartalom integritásának biztosítása mellett a következő tulajdonságokat hangsúlyozták:
A szén-dioxid (CO2) egyaránt létfontosságú erőforrás a földi élethez, és egy üvegházhatású gáz, amely hozzájárul a globális felmelegedéshez. Napjainkban a tudósok a szén-dioxidot ígéretes erőforrásként vizsgálják megújuló, alacsony szén-dioxid-kibocsátású üzemanyagok és nagy értékű vegyipari termékek előállításához.
A kutatók előtt álló kihívás az, hogy hatékony és költséghatékony módszereket találjanak a szén-dioxid kiváló minőségű szén-köztitermékekké, például szén-monoxiddá, metanollá vagy hangyasavvá alakítására.
A Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium (NREL) KK Neuerlin vezette kutatócsoportja, valamint az Argonne Nemzeti Laboratórium és az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium munkatársai ígéretes megoldást találtak erre a problémára. A csapat kidolgozott egy átalakítási módszert, amellyel szén-dioxidból hangyasavat állítanak elő megújuló villamos energia felhasználásával, nagy energiahatékonysággal és tartóssággal.
A „Skálázható membránelektróda-összeállítási architektúra a szén-dioxid hangyasavvá történő hatékony elektrokémiai átalakításához” című tanulmány a Nature Communications folyóiratban jelent meg.
A hangyasav egy potenciális kémiai köztitermék, széles körben alkalmazható, különösen nyersanyagként a vegyiparban vagy a biológiai iparban. A hangyasavat a tiszta repülőgép-üzemanyag biofinomításának alapanyagaként is azonosították.
A CO2 elektrolízise a CO2 kémiai köztitermékekké, például hangyasavvá vagy molekulákká, például etilénné redukálódása során, amikor elektromos potenciált alkalmazunk az elektrolizáló cellára.
Az elektrolizátor membrán-elektróda szerelvénye (MEA) jellemzően egy ionvezető membránból (kation- vagy anioncserélő membránból) áll, amely két elektróda – egy elektrokatalizátor és egy ionvezető polimer – között helyezkedik el.
A csapat üzemanyagcellás technológiák és hidrogén-elektrolízis terén szerzett szakértelmét felhasználva számos MEA-konfigurációt vizsgáltak elektrolitikus cellákban, hogy összehasonlítsák a CO2 hangyasavvá történő elektrokémiai redukcióját.
Különböző tervek meghibásodási elemzése alapján a csapat a meglévő anyagkészletek korlátait, különösen az ionkiszorítás hiányát a jelenlegi anioncserélő membránokban, igyekezett kihasználni, és egyszerűsíteni a teljes rendszertervezést.
Az NREL-től származó KS Neierlin és Leiming Hu találmánya egy továbbfejlesztett MEA elektrolizátor volt, amely egy új, perforált kationcserélő membránt használt. Ez a perforált membrán egyenletes, nagy szelektivitású hangyasavtermelést biztosít, és a kész alkatrészek használatával leegyszerűsíti a tervezést.
„A tanulmány eredményei paradigmaváltást jelentenek a szerves savak, például a hangyasav elektrokémiai előállításában” – mondta Neierlin, a tanulmány társszerzője. „A perforált membránszerkezet csökkenti a korábbi tervek bonyolultságát, és más elektrokémiai szén-dioxid-átalakító eszközök energiahatékonyságának és tartósságának javítására is használható.”
Mint minden tudományos áttörés esetében, fontos megérteni a költségtényezőket és a gazdasági megvalósíthatóságot. Az NREL kutatói, Zhe Huang és Tao Ling, több részlegen együttműködve egy technológiai-gazdasági elemzést mutattak be, amely azonosította a költségparitás elérésének módjait a mai ipari hangyasavgyártási folyamatokkal, amikor a megújuló villamos energia költsége kilowattóránként 2,3 cent vagy az alatt van.
„A csapat kereskedelmi forgalomban kapható katalizátorok és polimer membránanyagok felhasználásával érte el ezeket az eredményeket, miközben egy olyan MEA-tervet hozott létre, amely kihasználja a modern üzemanyagcellák és hidrogén-elektrolízis üzemek skálázhatóságát” – mondta Neierlin.
„A kutatás eredményei segíthetnek a szén-dioxid üzemanyagokká és vegyi anyagokká alakításában megújuló villamos energia és hidrogén felhasználásával, felgyorsítva az átmenetet a méretnövelés és a kereskedelmi forgalomba hozatal felé.”
Az elektrokémiai konverziós technológiák az NREL Elektronok Molekulák programjának központi elemét képezik, amely a következő generációs megújuló hidrogénre, a nulla üzemanyagokra, a vegyszerekre és az elektromosan meghajtott folyamatokhoz szükséges anyagokra összpontosít.
„Programunk azt vizsgálja, hogyan lehet megújuló villamos energiával olyan molekulákat, mint a szén-dioxid és a víz, olyan vegyületekké alakítani, amelyek energiaforrásként szolgálhatnak” – mondta Randy Cortright, az NREL elektronátviteli és/vagy prekurzor stratégiájának igazgatója az üzemanyag- vagy vegyi anyagok előállításában.”
„Ez az elektrokémiai konverziós kutatás áttörést jelent, amely számos elektrokémiai konverziós folyamatban felhasználható, és további ígéretes eredményeket várunk ettől a csoporttól.”
További információk: Leiming Hu et al., Skálázható membránelektróda-szerelvény architektúra a CO2 hatékony elektrokémiai hangyasavvá alakításához, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Ha elgépelést, pontatlanságot talál, vagy szeretne szerkesztési kérelmet benyújtani ezen az oldalon, kérjük, használja ezt az űrlapot. Általános kérdések esetén kérjük, használja a kapcsolatfelvételi űrlapunkat. Általános visszajelzéshez használja az alábbi nyilvános hozzászólások részt (kövesse az utasításokat).
Visszajelzése nagyon fontos számunkra. Az üzenetek nagy száma miatt azonban nem tudjuk garantálni a személyre szabott választ.
Az e-mail címedet csak arra használjuk, hogy megtudjuk, ki küldte az e-mailt. Sem az Ön címét, sem a címzett címét semmilyen más célra nem használjuk fel. A megadott információk megjelennek az e-mailedben, és a Tech Xplore semmilyen formában nem tárolja azokat.
Ez a weboldal sütiket használ a navigáció megkönnyítése, a szolgáltatásaink használatának elemzése, a hirdetések személyre szabására vonatkozó adatok gyűjtése és harmadik felektől származó tartalmak biztosítása érdekében. Weboldalunk használatával Ön tudomásul veszi, hogy elolvasta és megértette Adatvédelmi irányelveinket és Felhasználási feltételeinket.