Tämä artikkeli on tarkistettu Science X:n toimituskäytäntöjen ja -menettelyjen mukaisesti. Toimittajat ovat korostaneet seuraavia ominaisuuksia varmistaessaan sisällön eheyden:
Hiilidioksidi (CO2) on sekä välttämätön luonnonvara elämälle maapallolla että kasvihuonekaasu, joka edistää ilmaston lämpenemistä. Nykyään tiedemiehet tutkivat hiilidioksidia lupaavana luonnonvarana uusiutuvien, vähähiilisten polttoaineiden ja arvokkaiden kemikaalien tuotannossa.
Tutkijoiden haasteena on löytää tehokkaita ja kustannustehokkaita tapoja muuntaa hiilidioksidi korkealaatuisiksi hiilivälituotteiksi, kuten hiilimonoksidiksi, metanoliksi tai muurahaishapoksi.
Yhdysvaltain kansallisen uusiutuvan energian laboratorion (NREL) KK Neuerlinin johtama tutkimusryhmä sekä Argonnen kansallisen laboratorion ja Oak Ridgen kansallisen laboratorion yhteistyökumppanit ovat löytäneet lupaavan ratkaisun tähän ongelmaan. Tiimi kehitti muunnosmenetelmän muurahaishapon tuottamiseksi hiilidioksidista uusiutuvaa sähköä käyttäen erittäin energiatehokkaasti ja kestävästi.
Tutkimus, jonka otsikko on ”Skaalautuva kalvoelektrodikokoonpanoarkkitehtuuri hiilidioksidin tehokkaaseen sähkökemialliseen muuntamiseen muurahaishapoksi”, julkaistiin Nature Communications -lehdessä.
Muurahaishappo on potentiaalinen kemiallinen välituote, jolla on laaja valikoima käyttötarkoituksia, erityisesti raaka-aineena kemian- tai bioteollisuudessa. Muurahaishappoa on myös tunnistettu biojalostuksen raaka-aineeksi puhtaaksi lentopolttoaineeksi.
CO2:n elektrolyysi johtaa CO2:n pelkistymiseen kemiallisiksi välituotteiksi, kuten muurahaishapoksi, tai molekyyleiksi, kuten etyleeniksi, kun elektrolyysikennoon kohdistetaan sähköpotentiaali.
Elektrolyyserin kalvo-elektrodikokoonpano (MEA) koostuu tyypillisesti ionia johtavasta kalvosta (kationi- tai anioninvaihtokalvo), joka on kahden elektrodin, elektrokatalyytin ja ionia johtavan polymeerin, välissä.
Hyödyntämällä tiimin asiantuntemusta polttokennoteknologioissa ja vetyelektrolyysissä, he tutkivat useita MEA-konfiguraatioita elektrolyysikennoissa verratakseen CO2:n sähkökemiallista pelkistymistä muurahaishapoksi.
Erilaisten mallien vikaantumisanalyysin perusteella tiimi pyrki hyödyntämään olemassa olevien materiaalisarjojen rajoituksia, erityisesti ionien hylkimisen puutetta nykyisissä anioninvaihtokalvoissa, ja yksinkertaistamaan järjestelmän kokonaissuunnittelua.
NREL:n KS Neierlinin ja Leiming Hun keksintö oli parannettu MEA-elektrolyyseri, jossa käytettiin uutta rei'itettyä kationinvaihtokalvoa. Tämä rei'itetty kalvo tarjoaa tasaisen ja erittäin selektiivisen muurahaishapon tuotannon ja yksinkertaistaa suunnittelua käyttämällä valmiita komponentteja.
”Tämän tutkimuksen tulokset edustavat paradigman muutosta orgaanisten happojen, kuten muurahaishapon, sähkökemiallisessa tuotannossa”, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Neierlin. ”Rei'itetty kalvorakenne vähentää aiempien mallien monimutkaisuutta ja sitä voidaan käyttää myös muiden sähkökemiallisten hiilidioksidimuunnoslaitteiden energiatehokkuuden ja kestävyyden parantamiseen.”
Kuten minkä tahansa tieteellisen läpimurron kohdalla, on tärkeää ymmärtää kustannustekijät ja taloudellinen toteutettavuus. NREL:n tutkijat Zhe Huang ja Tao Ling esittelivät eri osastojen välillä työskentelevän teknis-taloudellisen analyysin, jossa tunnistettiin tapoja saavuttaa kustannuspariteetti nykyisten teollisten muurahaishapon tuotantoprosessien kanssa, kun uusiutuvan sähkön hinta on enintään 2,3 senttiä kilowattitunnilta.
"Tiimi saavutti nämä tulokset käyttämällä kaupallisesti saatavilla olevia katalyyttejä ja polymeerikalvomateriaaleja samalla luoden MEA-suunnittelun, joka hyödyntää nykyaikaisten polttokennojen ja vetyelektrolyysilaitosten skaalautuvuutta", Neierlin sanoi.
”Tämän tutkimuksen tulokset voisivat auttaa muuttamaan hiilidioksidia polttoaineiksi ja kemikaaleiksi uusiutuvaa sähköä ja vetyä käyttämällä, mikä nopeuttaisi siirtymistä skaalautuvuuteen ja kaupallistamiseen.”
Sähkökemialliset konversioteknologiat ovat keskeinen osa NREL:n Elektronit molekyyliksi -ohjelmaa, joka keskittyy seuraavan sukupolven uusiutuvaan vetyyn, nollapolttoaineisiin, kemikaaleihin ja materiaaleihin sähkökäyttöisissä prosesseissa.
”Ohjelmassamme tutkitaan tapoja käyttää uusiutuvaa sähköä hiilidioksidin ja veden kaltaisten molekyylien muuntamiseksi yhdisteiksi, jotka voivat toimia energialähteinä”, sanoo Randy Cortright, NREL:n elektroninsiirto- ja/tai lähtöainestrategian johtaja polttoaineiden tai kemikaalien tuotannossa.”
”Tämä sähkökemiallinen konversiotutkimus tarjoaa läpimurron, jota voidaan käyttää useissa sähkökemiallisissa konversioprosesseissa, ja odotamme innolla lisää lupaavia tuloksia tältä ryhmältä.”
Lisätietoja: Leiming Hu ym., Skaalautuva kalvoelektrodikokoonpanoarkkitehtuuri CO2:n tehokkaaseen sähkökemialliseen muuntamiseen muurahaishapoksi, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Jos kohtaat kirjoitusvirheen, epätarkkuuden tai haluat lähettää pyynnön sisällön muokkaamisesta tällä sivulla, käytä tätä lomaketta. Yleisiin kysymyksiin käytä yhteydenottolomakettamme. Yleiseen palautteeseen käytä alla olevaa julkista kommenttiosiota (noudata ohjeita).
Palautteesi on meille erittäin tärkeää. Suuren viestimäärän vuoksi emme kuitenkaan voi taata henkilökohtaista vastausta.
Sähköpostiosoitettasi käytetään vain sähköpostin lähettäjän tunnistamiseen. Osoitettasi tai vastaanottajan osoitetta ei käytetä mihinkään muuhun tarkoitukseen. Antamasi tiedot näkyvät sähköpostissasi, eikä Tech Xplore tallenna niitä missään muodossa.
Tämä verkkosivusto käyttää evästeitä navigoinnin helpottamiseen, palvelujemme käytön analysointiin, mainosten personointitietojen keräämiseen ja kolmansilta osapuolilta saatavan sisällön tarjoamiseen. Käyttämällä verkkosivustoamme hyväksyt, että olet lukenut ja ymmärtänyt tietosuojakäytäntömme ja käyttöehtomme.