Tento článek byl recenzován v souladu s redakčními postupy a zásadami časopisu Science X. Redaktoři kladli důraz na následující vlastnosti a zároveň zajistili integritu obsahu:
Oxid uhličitý (CO2) je jak základním zdrojem pro život na Zemi, tak skleníkovým plynem, který přispívá ke globálnímu oteplování. Vědci dnes studují oxid uhličitý jako slibný zdroj pro výrobu obnovitelných, nízkouhlíkových paliv a vysoce hodnotných chemických produktů.
Výzvou pro výzkumníky je identifikovat účinné a nákladově efektivní způsoby, jak přeměnit oxid uhličitý na vysoce kvalitní uhlíkové meziprodukty, jako je oxid uhelnatý, methanol nebo kyselina mravenčí.
Výzkumný tým vedený K. K. Neuerlinem z Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje energie (NREL) a spolupracovníky z Argonne National Laboratory a Oak Ridge National Laboratory nalezl slibné řešení tohoto problému. Tým vyvinul konverzní metodu pro výrobu kyseliny mravenčí z oxidu uhličitého s využitím obnovitelné elektřiny s vysokou energetickou účinností a trvanlivostí.
Studie s názvem „Škálovatelná architektura sestavy membránových elektrod pro efektivní elektrochemickou přeměnu oxidu uhličitého na kyselinu mravenčí“ byla publikována v časopise Nature Communications.
Kyselina mravenčí je potenciální chemický meziprodukt s širokým spektrem uplatnění, zejména jako surovina v chemickém nebo biologickém průmyslu. Kyselina mravenčí byla také identifikována jako vstupní surovina pro biorafinaci na čisté letecké palivo.
Elektrolýza CO2 vede k redukci CO2 na chemické meziprodukty, jako je kyselina mravenčí, nebo molekuly, jako je ethylen, když je na elektrolytický článek aplikován elektrický potenciál.
Membránovo-elektrodová sestava (MEA) v elektrolyzéru se obvykle skládá z iontově vodivé membrány (kationtové nebo aniontoměničové membrány) vložené mezi dvě elektrody sestávající z elektrokatalyzátoru a iontově vodivého polymeru.
Využitím odborných znalostí týmu v oblasti technologií palivových článků a elektrolýzy vodíku studovali několik konfigurací MEA v elektrolytických článcích, aby porovnali elektrochemickou redukci CO2 na kyselinu mravenčí.
Na základě analýzy poruch různých konstrukcí se tým snažil využít omezení stávajících materiálových sad, zejména nedostatečnou schopnost odmítnutí iontů v současných aniontoměničových membránách, a zjednodušit celkový návrh systému.
Vynález K. S. Neierlina a Leiminga Hua z NREL spočíval ve vylepšeném elektrolyzéru MEA využívajícím novou perforovanou kationtoměničovou membránu. Tato perforovaná membrána zajišťuje konzistentní, vysoce selektivní produkci kyseliny mravenčí a zjednodušuje konstrukci díky použití běžně dostupných komponent.
„Výsledky této studie představují zásadní posun v elektrochemické výrobě organických kyselin, jako je kyselina mravenčí,“ uvedl spoluautor Neierlin. „Perforovaná membránová struktura snižuje složitost předchozích konstrukcí a lze ji také použít ke zlepšení energetické účinnosti a trvanlivosti jiných zařízení pro elektrochemickou přeměnu oxidu uhličitého.“
Stejně jako u každého vědeckého průlomu je důležité pochopit nákladové faktory a ekonomickou proveditelnost. Výzkumníci z NREL Zhe Huang a Tao Ling, kteří spolupracovali napříč různými odděleními, představili technicko-ekonomickou analýzu identifikující způsoby, jak dosáhnout parity nákladů se současnými průmyslovými procesy výroby kyseliny mravenčí, když cena elektřiny z obnovitelných zdrojů dosahuje nebo je nižší než 2,3 centu za kilowatthodinu.
„Tým dosáhl těchto výsledků s použitím komerčně dostupných katalyzátorů a polymerních membránových materiálů a zároveň vytvořil konstrukci MEA, která využívá škálovatelnosti moderních palivových článků a zařízení na elektrolýzu vodíku,“ uvedl Neierlin.
„Výsledky tohoto výzkumu by mohly pomoci přeměnit oxid uhličitý na paliva a chemikálie s využitím obnovitelné elektřiny a vodíku, a urychlit tak přechod k navyšování a komercializaci.“
Technologie elektrochemické konverze jsou klíčovým prvkem programu NREL Electrons to Molecules, který se zaměřuje na obnovitelný vodík nové generace, nulová paliva, chemikálie a materiály pro elektricky poháněné procesy.
„Náš program zkoumá způsoby, jak využít obnovitelné zdroje elektřiny k přeměně molekul, jako je oxid uhličitý a voda, na sloučeniny, které mohou sloužit jako zdroje energie,“ řekl Randy Cortright, ředitel NREL pro přenos elektronů a/nebo strategii prekurzorů pro výrobu paliv nebo chemikálií.“
„Tento výzkum elektrochemické konverze představuje průlom, který lze využít v řadě procesů elektrochemické konverze, a těšíme se na další slibné výsledky od této skupiny.“
Další informace: Leiming Hu a kol., Škálovatelná architektura sestavy membránové elektrody pro efektivní elektrochemickou přeměnu CO2 na kyselinu mravenčí, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Pokud narazíte na překlep, nepřesnost nebo chcete-li požádat o úpravu obsahu na této stránce, použijte prosím tento formulář. V případě obecných dotazů použijte prosím náš kontaktní formulář. Pro obecnou zpětnou vazbu použijte níže uvedenou sekci veřejných komentářů (postupujte podle pokynů).
Vaše zpětná vazba je pro nás velmi důležitá. Vzhledem k velkému množství zpráv však nemůžeme zaručit personalizovanou odpověď.
Vaše e-mailová adresa se používá pouze k tomu, aby příjemci věděli, kdo e-mail odeslal. Ani vaše adresa, ani adresa příjemce nebudou použity k žádnému jinému účelu. Informace, které zadáte, se zobrazí ve vašem e-mailu a nebudou společností Tech Xplore v žádné formě uloženy.
Tyto webové stránky používají soubory cookie k usnadnění navigace, analýze vašeho používání našich služeb, shromažďování údajů o personalizaci reklamy a poskytování obsahu od třetích stran. Používáním našich webových stránek potvrzujete, že jste si přečetli a rozumíte našim Zásadám ochrany osobních údajů a Podmínkám používání.