Meningkatkan efisiensi penangkapan karbon elektrokimia dan sistem konversi

Penulis

Pewarna digunakan untuk mendeteksi tingkat karbondioksida di dalam air. Di sebelah kiri adalah bahan gas yang menarik, dan pewarna menunjukkan bahwa karbon dioksida tetap terkonsentrasi di dekat katalis. Penulis: Kelompok Penelitian Varanasi

Desain baru ini dapat mempercepat laju reaksi dalam sistem elektrokimia untuk mengekstraksi karbon dari emisi pembangkit listrik.

Sistem untuk menangkap dan mengubah karbon dioksida dari emisi pembangkit listrik dapat menjadi alat penting untuk mengekang perubahan iklim, tetapi kebanyakan relatif tidak efisien dan mahal. Sekarang para peneliti keluar З mengembangkan metode yang secara signifikan dapat meningkatkan kinerja sistem yang menggunakan permukaan katalitik untuk meningkatkan laju reaksi elektrokimia yang mengeluarkan karbon.

Sistem katalitik semacam itu merupakan pilihan yang menarik untuk penangkapan karbon karena dapat menghasilkan produk yang berguna dan berharga, seperti bahan bakar transportasi atau bahan baku kimia. Hasil ini dapat membantu mensubsidi proses dengan mengimbangi biaya pengurangan emisi gas rumah kaca.

Dalam sistem ini, aliran gas yang mengandung karbon dioksida biasanya melewati air untuk mengirimkan karbon dioksida untuk reaksi elektrokimia. Gerakan di atas air led, yang memperlambat laju konversi karbon dioksida. Desain baru memastikan bahwa aliran karbon dioksida tetap terkonsentrasi di air dekat permukaan katalis. Para peneliti telah menunjukkan bahwa konsentrasi ini hampir dapat menggandakan kinerja sistem.

Hasilnya dijelaskan hari ini di jurnal Laporan Sel Ilmu Fisik dalam sebuah artikel oleh Sami Khan SM, Ph.D., Ph.D., sekarang menjadi profesor di Universitas Simon Fraser, bersama dengan profesor MIT Kripa Varanasi dan Yang Shao-Horn, dan lulusan terbaru Jonathan Hwang ’19.

“Penghapusan karbon dioksida adalah masalah zaman kita,” kata Varanasi. Ada sejumlah pendekatan, termasuk sekuestrasi geologi, konservasi laut, mineralisasi, dan konversi kimia. Dalam hal menciptakan produk yang bermanfaat dan dapat dipasarkan dari gas rumah kaca ini, konversi elektrokimia sangat menjanjikan, tetapi masih membutuhkan perbaikan agar layak secara ekonomi. “Tujuan dari pekerjaan kami adalah untuk memahami apa yang menjadi hambatan besar dalam proses ini, dan untuk meningkatkan atau mengurangi hambatan ini,” katanya.

Para peneliti menemukan bahwa penghambat melibatkan pengiriman karbon dioksida ke permukaan katalitik yang mendorong konversi kimia yang diinginkan. Dalam sistem elektrokimia ini, aliran gas yang mengandung karbon dioksida dicampur dengan air baik di bawah tekanan atau dengan menggelembung melalui bejana yang dilengkapi dengan elektroda dari bahan katalis seperti tembaga. Stres kemudian diterapkan untuk mendorong reaksi kimia, membentuk senyawa karbon yang dapat diubah menjadi bahan bakar atau produk lain.

Dalam sistem seperti itu, ada dua masalah: reaksi dapat berlangsung begitu cepat sehingga pasokan karbon dioksida dikeluarkan ke katalis lebih cepat daripada yang dapat diisi ulang; dan ketika ini terjadi, reaksi yang bersaing – pemisahan air menjadi hidrogen dan oksigen – dapat mengambil sebagian besar energi yang diinvestasikan dalam reaksi.

Upaya sebelumnya untuk mengoptimalkan reaksi ini dengan memberi tekstur pada permukaan katalis untuk meningkatkan luas permukaan reaksi gagal memenuhi harapan mereka karena karbon dioksida yang masuk ke permukaan tidak dapat mengimbangi peningkatan laju reaksi, sehingga beralih ke produksi hidrogen. lembur.

Para peneliti mengatasi masalah ini dengan menarik gas ke permukaan yang terletak di dekat bahan katalis. Bahan ini adalah bahan superhidrofobik “gasofilik” bertekstur khusus yang menolak air tetapi memungkinkan lapisan halus gas, yang disebut plastron, berada di dekat permukaannya. Ia mempertahankan aliran masukan karbon dioksida melawan katalis sehingga reaksi konversi karbon dioksida yang diinginkan dapat dimaksimalkan.

Permukaan bertekstur khusus yang menarik gas

Di sebelah kiri, gelembung mengenai permukaan bertekstur khusus yang menarik bagi gas dan menyebar ke permukaan, sedangkan di sebelah kanan, gelembung mengenai permukaan yang tidak diolah dan hanya memantul. Permukaan yang diolah digunakan dalam pekerjaan baru untuk menjaga karbon dioksida tetap dekat dengan katalis. Penulis: Kelompok Penelitian Varanasi

Dengan menggunakan pembacaan pH berbasis pewarna, para peneliti dapat memvisualisasikan gradien konsentrasi karbon dioksida dalam sel uji dan menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi karbon dioksida keluar dari plastron.

Tingkat konsentrasi karbondioksida di dalam air

Di sini pewarna digunakan untuk mendeteksi tingkat konsentrasi karbondioksida di dalam air. Hijau menunjukkan area di mana karbon dioksida lebih terkonsentrasi, dan biru menunjukkan area di mana karbon dioksida berkurang. Area hijau di sebelah kiri menunjukkan bahwa karbon dioksida tetap terkonsentrasi di dekat katalis, karena tarikan material gas. Penulis: Kelompok Penelitian Varanasi

Dalam serangkaian percobaan laboratorium yang menggunakan pengaturan ini, laju reaksi konversi karbon hampir dua kali lipat. Ini juga dipertahankan seiring waktu, sedangkan pada percobaan sebelumnya reaksinya dengan cepat mereda. Sistem tersebut menghasilkan etilen, propolis, dan etanol tingkat tinggi – bahan bakar otomotif yang potensial. Sementara itu, evolusi kompetitif hidrogen sangat terbatas. Meskipun pekerjaan baru memungkinkan Anda menyempurnakan sistem ke campuran produk yang diinginkan, dalam beberapa kasus, mengoptimalkan produksi hidrogen sebagai bahan bakar mungkin merupakan hasil yang diinginkan, yang juga dapat dilakukan.

“Indikator penting adalah selektivitas,” kata Khan, mengacu pada kemampuan untuk menghasilkan senyawa berharga yang akan diperoleh pada kombinasi bahan, tekstur, dan tekanan tertentu, dan untuk menyesuaikan konfigurasi sesuai dengan keluaran yang diinginkan.

Dengan memusatkan karbon dioksida di dekat permukaan katalis, sistem baru juga menerima dua senyawa karbon baru yang berpotensi berguna – aseton dan asetat, yang sebelumnya tidak terdeteksi di salah satu sistem elektrokimia ini pada kecepatan yang signifikan.

Dalam pekerjaan laboratorium awal ini, satu setrip bahan yang menarik gas hidrofobik ditempatkan di sebelah satu elektroda tembaga, tetapi di masa depan, perangkat praktis dapat dibuat dengan menggunakan satu set padat pelat bolak-balik, saran Varanasi.

Dibandingkan dengan pekerjaan sebelumnya tentang reduksi elektrokimia karbon menggunakan katalis berstruktur nano, Varanasi mengatakan, “Kami jauh mengungguli semuanya karena, meskipun itu katalis yang sama, kami mengubah permainan seperti karbon dioksida.”

“Ini adalah cara yang benar-benar inovatif untuk memasok karbon dioksida ke pengelektrolisis,” kata Ifan Stevens, profesor teknik material di Imperial College Londonyang tidak terkait dengan penelitian ini. “Penulis menerjemahkan konsep mekanika fluida yang digunakan dalam industri minyak dan gas bumi menjadi produksi bahan bakar elektrolitik. Saya pikir pemupukan silang dari berbagai bidang ini sangat menarik. “

Stevens menambahkan: “Pengurangan karbon dioksida memiliki potensi besar sebagai cara untuk mendapatkan bahan kimia pada platform, seperti etilen, dari limbah listrik, air dan karbon dioksida. Etilena saat ini dibentuk dengan memecahkan hidrokarbon rantai panjang dari bahan bakar fosil; selama produksinya, sejumlah besar karbon dioksida dilepaskan ke atmosfer. Metode ini dapat menghasilkan pengurangan karbon dioksida yang lebih efisien, yang pada akhirnya dapat mengalihkan masyarakat kita dari ketergantungannya pada bahan bakar fosil. “

Referensi: “Proksimal bencana-plastron meningkatkan aktivitas dan selektivitas elektroreduksi karbon dioksida” Sami Khan, Jonathan Hwang, Yang-Shao Horn dan Kripa K. Varanasi, 25 Januari 2021, Laporan Sel Ilmu Fisik.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2020.100318

Studi ini didukung oleh perusahaan energi Italia Eni SpA melalui Massachusetts Institute of Technology Energy Initiative dan beasiswa lulusan NSERC PGS-D dari Kanada.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.