Tento článok bol recenzovaný v súlade s redakčnými postupmi a zásadami časopisu Science X. Redaktori zdôraznili nasledujúce vlastnosti a zároveň zabezpečili integritu obsahu:
Oxid uhličitý (CO2) je základným zdrojom pre život na Zemi a zároveň skleníkovým plynom, ktorý prispieva ku globálnemu otepľovaniu. Vedci dnes skúmajú oxid uhličitý ako sľubný zdroj na výrobu obnoviteľných, nízkouhlíkových palív a vysokohodnotných chemických produktov.
Výzvou pre výskumníkov je identifikovať účinné a nákladovo efektívne spôsoby premeny oxidu uhličitého na vysokokvalitné uhlíkové medziprodukty, ako je oxid uhoľnatý, metanol alebo kyselina mravčia.
Výskumný tím pod vedením KK Neuerlina z Národného laboratória pre obnoviteľnú energiu (NREL) a spolupracovníkov z Národného laboratória Argonne a Národného laboratória Oak Ridge našiel sľubné riešenie tohto problému. Tím vyvinul konverznú metódu na výrobu kyseliny mravčej z oxidu uhličitého s použitím obnoviteľnej elektriny s vysokou energetickou účinnosťou a trvanlivosťou.
Štúdia s názvom „Škálovateľná architektúra zostavy membránových elektród pre efektívnu elektrochemickú premenu oxidu uhličitého na kyselinu mravčiu“ bola publikovaná v časopise Nature Communications.
Kyselina mravčia je potenciálny chemický medziprodukt so širokým spektrom uplatnenia, najmä ako surovina v chemickom alebo biologickom priemysle. Kyselina mravčia bola tiež identifikovaná ako vstupná surovina pre biorafináciu na čisté letecké palivo.
Elektrolýza CO2 vedie k redukcii CO2 na chemické medziprodukty, ako je kyselina mravčia, alebo molekuly, ako je etylén, keď sa na elektrolytický článok aplikuje elektrický potenciál.
Membránovo-elektródová zostava (MEA) v elektrolyzéri typicky pozostáva z iónovo vodivej membrány (katiónovo-výmennej membrány alebo membrány na výmenu iónov) vloženej medzi dve elektródy pozostávajúce z elektrokatalyzátora a iónovo vodivého polyméru.
Využitím odborných znalostí tímu v oblasti technológií palivových článkov a elektrolýzy vodíka študovali niekoľko konfigurácií MEA v elektrolytických článkoch, aby porovnali elektrochemickú redukciu CO2 na kyselinu mravčiu.
Na základe analýzy porúch rôznych návrhov sa tím snažil využiť obmedzenia existujúcich materiálových súborov, najmä absenciu odpudzovania iónov v súčasných aniónovo-výmenných membránach, a zjednodušiť celkový návrh systému.
Vynález K. S. Neierlina a Leiminga Hua z NREL bol vylepšený elektrolyzér MEA s použitím novej perforovanej katiónovej výmennej membrány. Táto perforovaná membrána zabezpečuje konzistentnú, vysoko selektívnu produkciu kyseliny mravčej a zjednodušuje konštrukciu použitím bežne dostupných komponentov.
„Výsledky tejto štúdie predstavujú prevratný posun v elektrochemickej výrobe organických kyselín, ako je kyselina mravčia,“ povedal spoluautor Neierlin. „Perforovaná membránová štruktúra znižuje zložitosť predchádzajúcich návrhov a možno ju použiť aj na zlepšenie energetickej účinnosti a odolnosti iných zariadení na elektrochemickú konverziu oxidu uhličitého.“
Ako pri každom vedeckom prelome, je dôležité pochopiť nákladové faktory a ekonomickú uskutočniteľnosť. Výskumníci NREL Zhe Huang a Tao Ling, ktorí pracovali naprieč rôznymi oddeleniami, predstavili technicko-ekonomickú analýzu identifikujúcu spôsoby, ako dosiahnuť paritu nákladov so súčasnými priemyselnými procesmi výroby kyseliny mravčej, keď sú náklady na obnoviteľnú elektrinu na úrovni alebo pod 2,3 centa za kilowatthodinu.
„Tím dosiahol tieto výsledky pomocou komerčne dostupných katalyzátorov a polymérnych membránových materiálov a zároveň vytvoril dizajn MEA, ktorý využíva škálovateľnosť moderných palivových článkov a zariadení na elektrolýzu vodíka,“ povedal Neierlin.
„Výsledky tohto výskumu by mohli pomôcť premeniť oxid uhličitý na palivá a chemikálie s využitím obnoviteľnej elektriny a vodíka, čím by sa urýchlil prechod na rozsiahlejšie využívanie a komercializáciu.“
Technológie elektrochemickej konverzie sú kľúčovým prvkom programu NREL s názvom Electrons to Molecules, ktorý sa zameriava na obnoviteľný vodík novej generácie, nulové palivá, chemikálie a materiály pre elektricky poháňané procesy.
„Náš program skúma spôsoby využitia obnoviteľnej elektriny na premenu molekúl, ako je oxid uhličitý a voda, na zlúčeniny, ktoré môžu slúžiť ako zdroje energie,“ povedal Randy Cortright, riaditeľ stratégie prenosu elektrónov a/alebo prekurzorov na výrobu palív alebo chemikálií v NREL.“
„Tento výskum elektrochemickej konverzie predstavuje prelomový objav, ktorý možno využiť v rôznych procesoch elektrochemickej konverzie, a tešíme sa na ďalšie sľubné výsledky od tejto skupiny.“
Ďalšie informácie: Leiming Hu a kol., Škálovateľná architektúra zostavy membránových elektród pre efektívnu elektrochemickú premenu CO2 na kyselinu mravčiu, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Ak narazíte na preklep, nepresnosť alebo chcete odoslať žiadosť o úpravu obsahu na tejto stránke, použite tento formulár. V prípade všeobecných otázok použite náš kontaktný formulár. Pre všeobecnú spätnú väzbu použite sekciu verejných komentárov nižšie (postupujte podľa pokynov).
Vaša spätná väzba je pre nás veľmi dôležitá. Vzhľadom na veľký objem správ však nemôžeme zaručiť personalizovanú odpoveď.
Vaša e-mailová adresa sa používa iba na to, aby príjemcovia vedeli, kto e-mail odoslal. Ani vaša adresa, ani adresa príjemcu sa nepoužijú na žiadny iný účel. Informácie, ktoré zadáte, sa zobrazia vo vašom e-maile a spoločnosť Tech Xplore ich v žiadnej forme neuloží.
Táto webová stránka používa súbory cookie na uľahčenie navigácie, analýzu vášho používania našich služieb, zhromažďovanie údajov o personalizácii reklamy a poskytovanie obsahu od tretích strán. Používaním našej webovej stránky potvrdzujete, že ste si prečítali a rozumiete našim Zásadám ochrany osobných údajov a Podmienkam používania.