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이산화탄소(CO2)는 화석 연료 연소의 산물이자 가장 일반적인 온실 가스이며 지속 가능한 방식으로 유용한 연료로 다시 전환될 수 있습니다.CO2 배출을 연료 공급원료로 변환하는 한 가지 유망한 방법은 전기화학적 환원이라는 공정입니다.그러나 상업적으로 실행 가능하려면 더 원하는 탄소가 풍부한 제품을 선택하거나 생산할 수 있도록 공정을 개선해야 합니다.이제 Nature Energy 저널에 보고된 바와 같이, 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)는 보조 반응에 사용되는 구리 촉매의 표면을 개선하여 공정의 선택성을 높이는 새로운 방법을 개발했습니다.
"우리는 구리가 이 반응에 가장 좋은 촉매라는 것을 알고 있지만 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 제공하지 않습니다. 캘리포니아, 버클리.철자가 말했다."우리 팀은 이러한 종류의 선택성을 제공하기 위해 다양한 트릭을 수행하기 위해 촉매의 로컬 환경을 사용할 수 있음을 발견했습니다."
이전 연구에서 연구원들은 상업적 가치가 있는 탄소가 풍부한 제품을 만들기 위한 최상의 전기 및 화학적 환경을 제공하기 위한 정확한 조건을 설정했습니다.그러나 이러한 조건은 수성 전도성 물질을 사용하는 일반적인 연료 전지에서 자연적으로 발생하는 조건과 상반됩니다.
에너지부 액체 선샤인 연합의 에너지 혁신 센터 프로젝트의 일환으로 연료 전지 물 환경에서 사용할 수 있는 디자인을 결정하기 위해 Bell과 그의 팀은 특정 전하를 허용하는 얇은 이오노머 층으로 전환했습니다. 통과하는 분자(이온).다른 이온을 제외하십시오.매우 선택적인 화학적 특성으로 인해 미세 환경에 강한 영향을 미치는 데 특히 적합합니다.
논문의 제1저자인 벨그룹의 김찬연 박사후 연구원은 구리 촉매의 표면을 일반적인 두 가지 아이오노머인 나피온(Nafion)과 서스테인(Sustainion)으로 코팅하는 것을 제안했다.연구팀은 이렇게 하면 유용한 화학 물질로 쉽게 전환될 수 있는 탄소가 풍부한 제품을 생성하기 위해 어떤 방식으로든 반응을 지시하기 위해 pH와 물과 이산화탄소의 양을 포함하여 촉매 근처의 환경을 변화시켜야 한다고 가정했습니다.제품 및 액체 연료.
연구진은 폴리머 물질로 지지된 구리 필름에 각 아이오노머의 얇은 층과 두 개의 아이오노머의 이중층을 적용하여 손 모양의 전기 화학 셀의 한쪽 끝 근처에 삽입할 수 있는 필름을 형성했습니다.배터리에 이산화탄소를 주입하고 전압을 가하면 배터리에 흐르는 총 전류를 측정했다.그런 다음 반응 중에 인접한 저장소에 수집된 가스와 액체를 측정했습니다.2층 케이스의 경우 탄소가 풍부한 제품이 반응에서 소비되는 에너지의 80%를 차지한다는 사실을 발견했습니다. 코팅되지 않은 경우에는 60%보다 높습니다.
"이 샌드위치 코팅은 높은 제품 선택성과 높은 활성이라는 두 가지 장점을 모두 제공합니다."라고 Bell은 말했습니다.이중층 표면은 탄소가 풍부한 제품에 적합할 뿐만 아니라 동시에 강한 전류를 생성하여 활성이 증가함을 나타냅니다.
연구원들은 개선된 응답이 구리 바로 위의 코팅에 축적된 높은 CO2 농도의 결과라고 결론지었습니다.또한 두 아이오노머 사이의 영역에 축적되는 음전하 분자는 국소 산도를 낮추게 됩니다.이 조합은 아이오노머 필름이 없을 때 발생하는 경향이 있는 농도 균형을 상쇄합니다.
반응의 효율성을 더욱 향상시키기 위해 연구원들은 CO2와 pH를 증가시키는 또 다른 방법으로 아이오노머 필름이 필요하지 않은 이전에 입증된 기술인 펄스 전압으로 전환했습니다.연구원들은 이중층 이오노머 코팅에 펄스 전압을 적용함으로써 코팅되지 않은 구리 및 정적 전압에 비해 탄소가 풍부한 제품에서 250% 증가를 달성했습니다.
일부 연구자들은 새로운 촉매 개발에 연구를 집중하고 있지만 촉매의 발견은 작동 조건을 고려하지 않습니다.촉매 표면의 환경을 제어하는 것은 새롭고 다른 방법입니다.
수석 엔지니어인 Adam Weber는 "우리는 완전히 새로운 촉매를 고안한 것이 아니라 반응 역학에 대한 이해를 활용하고 이 지식을 사용하여 촉매 사이트의 환경을 변경하는 방법에 대해 생각하도록 안내했습니다."라고 말했습니다.Berkeley Laboratories의 에너지 기술 분야 과학자이자 논문의 공동 저자입니다.
다음 단계는 코팅된 촉매의 생산을 확대하는 것입니다.Berkeley Lab 팀의 예비 실험에는 상업용 애플리케이션에 필요한 대면적 다공성 구조보다 훨씬 간단한 소형 평면 모델 시스템이 포함되었습니다.“평평한 표면에 코팅을 하는 것은 어렵지 않습니다.그러나 상업적인 방법에는 작은 구리 볼을 코팅하는 것이 포함될 수 있습니다.”라고 Bell은 말했습니다.코팅의 두 번째 레이어를 추가하는 것이 어려워집니다.한 가지 가능성은 두 코팅을 용매에 함께 혼합하여 증착하고 용매가 증발할 때 분리되기를 바라는 것입니다.그렇지 않으면 어떻게 됩니까?Bell은 "우리는 단지 더 똑똑해지기만 하면 됩니다."라고 결론지었습니다.Kim C, Bui JC, Luo X 등을 참조하십시오.구리에 이중층 이오노머 코팅을 사용하여 CO2를 다중 탄소 제품으로 전기 환원하기 위한 맞춤형 촉매 미세 환경.냇 에너지.2021;6(11):1026-1034.doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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게시 시간: 2021년 11월 22일
