ახალი ტექნოლოგია აუმჯობესებს ნახშირორჟანგის თხევად საწვავად გარდაქმნას

შეავსეთ ქვემოთ მოცემული ფორმა და ჩვენ ელექტრონული ფოსტით გამოგიგზავნით „ნახშირორჟანგის თხევად საწვავად გადაქცევის ახალი ტექნოლოგიური გაუმჯობესებების“ PDF ვერსიას.
ნახშირორჟანგი (CO2) არის წიაღისეული საწვავის წვის პროდუქტი და ყველაზე გავრცელებული სათბურის აირი, რომლის მდგრადი გზით ხელახლა სასარგებლო საწვავებად გარდაქმნა შესაძლებელია. CO2-ის ემისიების საწვავის ნედლეულად გარდაქმნის ერთ-ერთი პერსპექტიული გზაა პროცესი, რომელსაც ელექტროქიმიური აღდგენა ეწოდება. თუმცა, კომერციულად სიცოცხლისუნარიანი რომ იყოს, პროცესი უნდა გაუმჯობესდეს უფრო სასურველი ნახშირბადით მდიდარი პროდუქტების შესარჩევად ან წარმოებისთვის. ახლა, როგორც ჟურნალ Nature Energy-შია ნათქვამი, ლოურენს ბერკლის ეროვნულმა ლაბორატორიამ (Berkeley Lab) შეიმუშავა ახალი მეთოდი დამხმარე რეაქციისთვის გამოყენებული სპილენძის კატალიზატორის ზედაპირის გასაუმჯობესებლად, რითაც იზრდება პროცესის სელექციურობა.
„მიუხედავად იმისა, რომ ვიცით, რომ სპილენძი ამ რეაქციისთვის საუკეთესო კატალიზატორია, ის სასურველი პროდუქტის მაღალ სელექციურობას არ უზრუნველყოფს“, - თქვა ალექსისმა, ბერკლის ლაბორატორიის ქიმიური მეცნიერებების დეპარტამენტის უფროსმა მეცნიერმა და კალიფორნიის უნივერსიტეტის ქიმიური ინჟინერიის პროფესორმა ბერკლში. სპელმა თქვა: „ჩვენმა გუნდმა აღმოაჩინა, რომ კატალიზატორის ადგილობრივი გარემოს გამოყენება შესაძლებელია სხვადასხვა ხრიკების შესასრულებლად, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ამ ტიპის სელექციურობა“.
წინა კვლევებში მკვლევარებმა შექმნეს ზუსტი პირობები, რათა უზრუნველყონ საუკეთესო ელექტრული და ქიმიური გარემო ნახშირბადით მდიდარი კომერციული ღირებულების მქონე პროდუქტების შესაქმნელად. თუმცა, ეს პირობები ეწინააღმდეგება იმ პირობებს, რომლებიც ბუნებრივად არსებობს წყალზე დაფუძნებული გამტარი მასალების გამოყენებით ტიპურ საწვავის უჯრედებში.
ენერგეტიკის სამინისტროს „თხევადი მზის სხივების ალიანსის“ ენერგეტიკული ინოვაციების ცენტრის პროექტის ფარგლებში, საწვავის უჯრედის წყლის გარემოში გამოსაყენებელი დიზაინის დასადგენად, ბელმა და მისმა გუნდმა გამოიყენეს იონომერის თხელი ფენა, რომელიც გარკვეულ დამუხტულ მოლეკულებს (იონებს) გავლის საშუალებას აძლევს. სხვა იონები გამორიცხეთ. მათი მაღალსელექციური ქიმიური თვისებების გამო, ისინი განსაკუთრებით შესაფერისია მიკროგარემოსზე ძლიერი ზემოქმედებისთვის.
Bell ჯგუფის პოსტდოქტორანტმა მკვლევარმა და ნაშრომის პირველმა ავტორმა, ჩანიონ კიმმა, შესთავაზა სპილენძის კატალიზატორების ზედაპირის დაფარვა ორი გავრცელებული იონომერით, Nafion-ით და Sustainion-ით. გუნდმა გამოთქვა ჰიპოთეზა, რომ ამან უნდა შეცვალოს კატალიზატორის მახლობლად არსებული გარემო, მათ შორის pH-ი და წყლისა და ნახშირორჟანგის რაოდენობა, რათა რეაქცია წარმართოს ნახშირბადით მდიდარი პროდუქტების წარმოსაქმნელად, რომელთა ადვილად გარდაქმნა სასარგებლო ქიმიკატებად. პროდუქტები და თხევადი საწვავი.
მკვლევრებმა პოლიმერული მასალით დამაგრებულ სპილენძის ფენაზე თითოეული იონომერის თხელი ფენა და ორი იონომერის ორმაგი ფენა დაადეს, რათა წარმოქმნილიყო ფენა, რომლის ჩასმაც ხელით ფორმის ელექტროქიმიური უჯრედის ერთ ბოლოსთან შეეძლოთ. აკუმულატორში ნახშირორჟანგის შეყვანისა და ძაბვის გამოყენებისას, მათ გაზომეს აკუმულატორში გამავალი მთლიანი დენი. შემდეგ გაზომეს რეაქციის დროს მიმდებარე რეზერვუარში დაგროვილი აირი და სითხე. ორშრიანი შემთხვევისთვის მათ აღმოაჩინეს, რომ ნახშირბადით მდიდარი პროდუქტები რეაქციის მიერ მოხმარებული ენერგიის 80%-ს შეადგენდა - დაუფარავ შემთხვევაში კი ეს მაჩვენებელი 60%-ზე მეტი იყო.
„ეს სენდვიჩის საფარი ორივე სამყაროს საუკეთესოს უზრუნველყოფს: პროდუქტის მაღალ სელექციურობას და მაღალ აქტივობას“, - თქვა ბელმა. ორშრიანი ზედაპირი არა მხოლოდ კარგია ნახშირბადით მდიდარი პროდუქტებისთვის, არამედ ამავდროულად ძლიერ დენსაც წარმოქმნის, რაც აქტივობის ზრდაზე მიუთითებს.
მკვლევრებმა დაასკვნეს, რომ გაუმჯობესებული რეაქცია გამოწვეული იყო სპილენძის პირდაპირ ზედაპირზე არსებულ საფარში დაგროვილი CO2-ის მაღალი კონცენტრაციით. გარდა ამისა, ორ იონომერს შორის რეგიონში დაგროვილი უარყოფითად დამუხტული მოლეკულები უფრო დაბალ ადგილობრივ მჟავიანობას გამოიწვევს. ეს კომბინაცია კომპენსირებას უკეთებს კონცენტრაციის ცვლილებებს, რომლებიც, როგორც წესი, იონომერული აპკების არარსებობის შემთხვევაში ხდება.
რეაქციის ეფექტურობის კიდევ უფრო გასაუმჯობესებლად, მკვლევარებმა CO2-ისა და pH-ის გაზრდის კიდევ ერთ მეთოდად მიმართეს ადრე დადასტურებულ ტექნოლოგიას, რომელიც არ საჭიროებს იონომერულ აპკს: პულსირებულ ძაბვას. ორშრიან იონომერულ საფარზე პულსირებული ძაბვის გამოყენებით, მკვლევარებმა მიაღწიეს ნახშირბადით მდიდარი პროდუქტების 250%-ით ზრდას დაუფარავ სპილენძთან და სტატიკურ ძაბვასთან შედარებით.
მიუხედავად იმისა, რომ ზოგიერთი მკვლევარი თავის საქმიანობას ახალი კატალიზატორების შემუშავებაზე ამახვილებს, კატალიზატორის აღმოჩენა არ ითვალისწინებს ექსპლუატაციის პირობებს. კატალიზატორის ზედაპირზე გარემოს კონტროლი ახალი და განსხვავებული მეთოდია.
„ჩვენ სრულიად ახალი კატალიზატორი არ შეგვიქმნია, არამედ რეაქციის კინეტიკის შესახებ ჩვენი ცოდნა გამოვიყენეთ და ეს ცოდნა კატალიზატორის ადგილმდებარეობის გარემოს შეცვლის შესახებ ფიქრისას წარმართვაში გამოვიყენეთ“, - თქვა ადამ ვებერმა, უფროსმა ინჟინერმა. ბერკლის ლაბორატორიების ენერგეტიკული ტექნოლოგიების სფეროს მეცნიერი და ნაშრომების თანაავტორი.
შემდეგი ნაბიჯი დაფარული კატალიზატორების წარმოების გაფართოებაა. ბერკლის ლაბორატორიის გუნდის წინასწარი ექსპერიმენტები მოიცავდა მცირე ზომის ბრტყელ მოდელურ სისტემებს, რომლებიც გაცილებით მარტივი იყო, ვიდრე კომერციული გამოყენებისთვის საჭირო დიდი ფართობის ფოროვანი სტრუქტურები. „საფარის ბრტყელ ზედაპირზე წასმა რთული არ არის. თუმცა, კომერციული მეთოდები შეიძლება მოიცავდეს პაწაწინა სპილენძის ბურთულების დაფარვას“, - თქვა ბელმა. საფარის მეორე ფენის დამატება რთული ხდება. ერთ-ერთი შესაძლებლობაა ორი საფარის შერევა და გამხსნელში ერთად დატანა და იმედის მოლოდინი, რომ ისინი გამხსნელის აორთქლების შემდეგ გაიყოფა. რა მოხდება, თუ ისინი არ გაიყოფა? ბელმა დაასკვნა: „ჩვენ უბრალოდ უფრო ჭკვიანები უნდა ვიყოთ“. იხილეთ კიმ ს., ბუი ჯ.ს., ლუო ს. და სხვები. მორგებული კატალიზატორის მიკროგარემოსი CO2-ის ელექტროშემცირებისთვის მრავალნახშირბადიან პროდუქტებამდე ორმაგი ფენის იონომერული საფარის გამოყენებით სპილენძზე. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
ეს სტატია აღებულია შემდეგი მასალიდან. შენიშვნა: მასალა შესაძლოა რედაქტირებული იყოს სიგრძისა და შინაარსის გამო. დამატებითი ინფორმაციისთვის, გთხოვთ, დაუკავშირდეთ ციტირებულ წყაროს.