Yeni bir elektrot tasarımı, karbondioksiti etilene ve diğer ürünlere dönüştüren elektrokimyasal reaksiyonların verimliliğini artırıyor.
Dünya sera gazı emisyonlarını azaltmak için mücadele ederken, araştırmacılar karbondioksiti yakalamak ve onu ulaşım yakıtları, kimyasal hammaddeler veya hatta yapı malzemeleri gibi faydalı ürünlere dönüştürmek için pratik ve ekonomik yollar arıyorlar. Ancak şimdiye kadar bu tür girişimler ekonomik olarak uygulanabilirliğe ulaşmakta zorluk çekti.
MIT'deki mühendislerin yeni araştırmaları, karbondioksiti değerli bir emtiaya dönüştürmek için geliştirilmekte olan çeşitli elektrokimyasal sistemlerde hızlı iyileştirmelere yol açabilir. Ekip, bu sistemlerde kullanılan elektrotlar için dönüşüm sürecinin verimliliğini artıran yeni bir tasarım geliştirdi.
Bulgular bugün Nature Communications dergisinde, MIT doktora öğrencisi Simon Rufer, makine mühendisliği profesörü Kripa Varanasi ve diğer üç kişi tarafından yazılan bir makalede bildirildi.
Varanasi, "CO2 sorunu zamanımızın büyük bir zorluğu ve bu sorunu çözmek ve ele almak için her türlü kaldıracı kullanıyoruz" diyor. Gazı, elektrik santrali emisyonları gibi kaynaklardan veya doğrudan havadan veya okyanuslardan çıkarmak için pratik yollar bulmanın önemli olacağını söylüyor. Ancak daha sonra, CO2 çıkarıldıktan sonra bir yere gitmesi gerekir.
Varanasi, yakalanan gazı kullanışlı bir kimyasal ürüne dönüştürmek için çok çeşitli sistemler geliştirildiğini söylüyor. "Bunu yapamayacağımız anlamına gelmiyor - yapabiliriz. Ancak soru şu ki, bunu nasıl verimli hale getirebiliriz? Bunu nasıl uygun maliyetli hale getirebiliriz?"
Yeni çalışmada, ekip CO2'nin etilene elektrokimyasal dönüşümüne odaklandı. Etilen, çeşitli plastiklere ve yakıtlara dönüştürülebilen ve bugün petrol kullanılarak üretilen yaygın olarak kullanılan bir kimyasaldır. Ancak araştırmacılar, geliştirdikleri yaklaşımın metan, metanol, karbon monoksit ve diğerleri de dahil olmak üzere diğer yüksek değerli kimyasal ürünlerin üretiminde de uygulanabileceğini söylüyor.
Şu anda etilen ton başına yaklaşık 1.000 dolara satılıyor, bu nedenle hedef bu fiyatı karşılayabilmek veya geçebilmek. CO2'yi etilene dönüştüren elektrokimyasal işlem, gaz difüzyon elektrodu adı verilen bir cihazda elektrik akımıyla temas eden su bazlı bir çözelti ve bir katalizör malzemesini içerir.
Gaz difüzyon elektrodu malzemelerinin performanslarını etkileyen iki rekabet eden özelliği vardır: İyi elektrik iletkenleri olmalılar, böylece işlemi yürüten akım direnç ısıtmasıyla boşa gitmez, ancak aynı zamanda "hidrofobik" veya su itici olmalılar, böylece su bazlı elektrolit çözeltisi sızmaz ve elektrot yüzeyinde gerçekleşen reaksiyonlara müdahale etmez.
Ne yazık ki, bu bir takastır. İletkenliği iyileştirmek hidrofobisiteyi azaltır ve bunun tersi de geçerlidir. Varanasi ve ekibi bu çatışmanın etrafından dolaşmanın bir yolunu bulup bulamayacaklarını görmek için yola çıktılar ve aylarca süren çalışmanın ardından tam da bunu başardılar.
Rufer ve Varanasi tarafından tasarlanan çözüm, sadeliğiyle zariftir. İyi hidrofobik özelliklere sahip olduğu bilinen plastik bir malzeme olan PTFE (esas olarak Teflon) kullandılar. Ancak PTFE'nin iletkenlik eksikliği, elektronların çok ince bir katalizör tabakasından geçmesi gerektiği anlamına gelir ve bu da mesafeyle önemli bir voltaj düşüşüne yol açar. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için araştırmacılar, PTFE'nin çok ince tabakasından bir dizi iletken bakır tel geçirdiler.
Varanasi, "Bu çalışma gerçekten bu zorluğun üstesinden geldi, çünkü artık hem iletkenliği hem de hidrofobisiteyi elde edebiliyoruz" diyor.
Potansiyel karbon dönüşüm sistemleri üzerine araştırmalar genellikle çok küçük, laboratuvar ölçekli numuneler üzerinde, genellikle 1 inçten (2,5 santimetre) daha küçük kareler üzerinde yapılır. Ölçeklendirme potansiyelini göstermek için Varanasi'nin ekibi, alan olarak 10 kat daha büyük bir tabaka üretti ve etkili performansını gösterdi.
Bu noktaya ulaşmak için, daha önce hiç yapılmamış gibi görünen bazı temel testler yapmak zorundaydılar, testleri aynı koşullar altında çalıştırdılar ancak iletkenlik ile elektrot boyutu arasındaki ilişkiyi analiz etmek için farklı boyutlarda elektrotlar kullandılar. İletkenliğin boyutla birlikte önemli ölçüde düştüğünü buldular, bu da reaksiyonu yönlendirmek için çok daha fazla enerji ve dolayısıyla maliyet gerekeceği anlamına geliyordu.
"Bu tam olarak beklediğimiz şeydi, ancak daha önce hiç kimsenin gerçekten özel olarak araştırmadığı bir şeydi," diyor Rufer. Ayrıca, daha büyük boyutlar amaçlanan etilenin yanı sıra daha fazla istenmeyen kimyasal yan ürün üretti.
Araştırmacılar, gerçek dünyadaki endüstriyel uygulamaların laboratuvar versiyonlarından belki de 100 kat daha büyük elektrotlar gerektireceğini, bu nedenle bu tür sistemleri pratik hale getirmek için iletken tellerin eklenmesinin gerekli olacağını söylüyor. Ayrıca, ohmik kayıplar nedeniyle elektrotlardaki voltaj ve ürün dağılımındaki mekansal değişkenliği yakalayan bir model de geliştirdiler. Model ve topladıkları deneysel veriler, iletkenlikteki düşüşü telafi etmek için iletken teller için optimum aralığı hesaplamalarını sağladı.
Aslında, teli malzemenin içinden geçirerek, malzeme tellerin aralığına göre belirlenen daha küçük alt bölümlere ayrılır. Rufer, "Her biri etkili bir şekilde daha küçük bir elektrot olan bir sürü küçük alt bölüme ayırdık," diyor. "Ve gördüğümüz gibi, küçük elektrotlar gerçekten iyi çalışabilir."
Bakır tel, PTFE malzemeden çok daha iletken olduğundan, elektronların içinden geçmesi için bir tür süper otoyol görevi görür ve alt tabakaya hapsedildiği ve daha fazla dirençle karşılaştığı alanları köprüler.
Araştırmacılar, sistemlerinin sağlam olduğunu göstermek için, performansta çok az değişiklikle 75 saat boyunca sürekli olarak bir test elektrodu çalıştırdılar. Rufer, genel olarak sistemlerinin "laboratuvar ölçeğinin 5 santimetre veya daha küçük mertebesine ulaşan ilk PTFE tabanlı elektrot olduğunu" söylüyor. Verimlilikten ödün vermeden çok daha büyük bir ölçeğe ilerleyen ilk çalışma."
Telin dahil edilmesi için dokuma süreci, büyük ölçekli bir rulodan ruloya süreçte bile mevcut üretim süreçlerine kolayca entegre edilebilir, diye ekliyor Rufer.
"Yaklaşımımız çok güçlü çünkü kullanılan gerçek katalizörle hiçbir ilgisi yok," diyor Rufer. "Bu mikrometrik bakır teli, katalizör morfolojisi veya kimyasından bağımsız olarak istediğiniz herhangi bir gaz difüzyon elektroduna dikebilirsiniz. Yani, bu yaklaşım herhangi birinin elektrodunu ölçeklendirmek için kullanılabilir."
"CO2 zorluğuyla mücadele etmek için yılda gigatonlarca CO2 işlememiz gerekeceği göz önüne alındığında, gerçekten ölçeklenebilen çözümler hakkında düşünmemiz gerekiyor," diyor Varanasi. "Bu zihniyetle başlamak, kritik darboğazları belirlememizi ve sorunu çözmede anlamlı bir etki yaratabilecek yenilikçi yaklaşımlar geliştirmemizi sağlıyor. Hiyerarşik olarak iletken elektrodumuz böyle bir düşüncenin sonucudur."
Araştırma ekibinde MIT lisansüstü öğrencileri Michael Nitzsche ve Sanjay Garimella ile Jack Lake PhD '23 yer aldı. Çalışma, MIT Enerji Girişimi aracılığıyla Shell tarafından desteklendi.
Bu çalışma, kısmen, MIT nano tesislerinin kullanımıyla gerçekleştirildi.
by David L. Chandler | MIT News
Comments