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O dióxido de carbono (CO2) é o produto da queima de combustíveis fósseis e o gás de efeito estufa mais comum, que pode ser convertido de volta em combustíveis úteis de maneira sustentável. Uma maneira promissora de converter as emissões de CO2 em matéria -prima de combustível é um processo chamado redução eletroquímica. Mas, para ser comercialmente viável, o processo precisa ser aprimorado para selecionar ou produzir produtos mais desejados ricos em carbono. Agora, conforme relatado na revista Nature Energy, o Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) desenvolveu um novo método para melhorar a superfície do catalisador de cobre usado para a reação auxiliar, aumentando assim a seletividade do processo.
"Embora saibamos que o cobre é o melhor catalisador para essa reação, ele não fornece alta seletividade para o produto desejado", disse Alexis, cientista sênior do Departamento de Ciências Químicas do Berkeley Lab e professor de engenharia química da Universidade da Califórnia, Berkeley. Feitiço disse. "Nossa equipe descobriu que você pode usar o ambiente local do catalisador para fazer vários truques para fornecer esse tipo de seletividade".
Em estudos anteriores, os pesquisadores estabeleceram condições precisas para fornecer o melhor ambiente elétrico e químico para criar produtos ricos em carbono com valor comercial. Mas essas condições são contrárias às condições que ocorrem naturalmente em células de combustível típicas usando materiais condutores à base de água.
Para determinar o design que pode ser usado no ambiente de água da célula a combustível, como parte do projeto do Centro de Inovação Energética da Aliança Liquid Sunshine da Ministério da Energia, Bell e sua equipe se voltaram para uma fina camada de ionômero, o que permite que certas moléculas carregadas (íons) passem. Excluir outros íons. Devido às suas propriedades químicas altamente seletivas, elas são particularmente adequadas para ter um forte impacto no microambiente.
Chanyeon Kim, pesquisador de pós -doutorado do grupo Bell e o primeiro autor do artigo, propôs revestir a superfície dos catalisadores de cobre com dois ionômeros comuns, Nafion e Sustainion. A equipe levantou a hipótese de que isso deveria mudar o ambiente próximo ao catalisador-incluindo o pH e a quantidade de água e dióxido de carbono-de alguma maneira de direcionar a reação para produzir produtos ricos em carbono que podem ser facilmente convertidos em produtos químicos úteis. Produtos e combustíveis líquidos.
Os pesquisadores aplicaram uma fina camada de cada ionômero e uma camada dupla de dois ionômeros a um filme de cobre suportado por um material de polímero para formar um filme, que eles poderiam inserir perto de uma extremidade de uma célula eletroquímica em forma de mão. Ao injetar dióxido de carbono na bateria e aplicar a tensão, eles mediram a corrente total que flui através da bateria. Em seguida, eles mediram o gás e o líquido coletados no reservatório adjacente durante a reação. Para o caso de duas camadas, eles descobriram que os produtos ricos em carbono representavam 80% da energia consumida pela reação-mais alta que 60% no caso não revestido.
"Este revestimento de sanduíche fornece o melhor dos dois mundos: alta seletividade de produtos e alta atividade", disse Bell. A superfície da camada dupla não é apenas boa para produtos ricos em carbono, mas também gera uma forte corrente ao mesmo tempo, indicando um aumento na atividade.
Os pesquisadores concluíram que a resposta aprimorada foi o resultado da alta concentração de CO2 acumulada no revestimento diretamente no topo do cobre. Além disso, moléculas carregadas negativamente que se acumulam na região entre os dois ionômeros produzirão menor acidez local. Essa combinação compensa as compensações de concentração que tendem a ocorrer na ausência de filmes ionômeros.
Para melhorar ainda mais a eficiência da reação, os pesquisadores se voltaram para uma tecnologia anteriormente comprovada que não requer um filme de ionômero como outro método para aumentar a tensão de CO2 e pH: pulsado. Ao aplicar a tensão pulsada ao revestimento de ionômero de camada dupla, os pesquisadores alcançaram um aumento de 250% em produtos ricos em carbono em comparação com o cobre não revestido e a tensão estática.
Embora alguns pesquisadores concentrem seu trabalho no desenvolvimento de novos catalisadores, a descoberta do catalisador não leva em consideração as condições operacionais. Controlar o ambiente na superfície do catalisador é um método novo e diferente.
"Não criamos um catalisador completamente novo, mas usamos nossa compreensão da cinética de reação e usamos esse conhecimento para nos guiar ao pensar em como mudar o ambiente do site do catalisador", disse Adam Weber, engenheiro sênior. Cientistas do campo da tecnologia de energia nos laboratórios de Berkeley e co-autor de artigos.
O próximo passo é expandir a produção de catalisadores revestidos. Os experimentos preliminares da equipe do Berkeley Lab envolveu pequenos sistemas de modelos planos, que eram muito mais simples do que as estruturas porosas de grande área necessárias para aplicações comerciais. "Não é difícil aplicar um revestimento em uma superfície plana. Mas os métodos comerciais podem envolver o revestimento de pequenas bolas de cobre", disse Bell. Adicionar uma segunda camada de revestimento se torna desafiador. Uma possibilidade é misturar e depositar os dois revestimentos em um solvente e esperar que eles se separem quando o solvente evaporar. E se eles não o fizerem? Bell concluiu: "Nós só precisamos ser mais inteligentes". Consulte Kim C, Bui JC, Luo X e outros. Microambiente de catalisador personalizado para redução eletro-redução de CO2 para produtos com vários carbonos usando revestimento de ionômero de camada dupla em cobre. NAT Energy. 2021; 6 (11): 1026-1034. doi: 10.1038/s41560-021-00920-8
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Hora de postagem: novembro de 22-2021
