Dit artikel is beoordeeld volgens de redactionele procedures en richtlijnen van Science X. De redactie heeft de volgende aspecten benadrukt en tegelijkertijd de integriteit van de inhoud gewaarborgd:
Koolstofdioxide (CO2) is zowel een essentiële grondstof voor het leven op aarde als een broeikasgas dat bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Tegenwoordig onderzoeken wetenschappers koolstofdioxide als een veelbelovende grondstof voor de productie van hernieuwbare, koolstofarme brandstoffen en hoogwaardige chemische producten.
De uitdaging voor onderzoekers is om efficiënte en kosteneffectieve manieren te vinden om koolstofdioxide om te zetten in hoogwaardige koolstofhoudende tussenproducten zoals koolmonoxide, methanol of mierenzuur.
Een onderzoeksteam onder leiding van KK Neuerlin van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en samenwerkende onderzoekers van Argonne National Laboratory en Oak Ridge National Laboratory heeft een veelbelovende oplossing voor dit probleem gevonden. Het team ontwikkelde een conversiemethode om mierenzuur uit koolstofdioxide te produceren met behulp van hernieuwbare elektriciteit, met een hoge energie-efficiëntie en duurzaamheid.
De studie, getiteld "Schaalbare membraanelektrode-assemblagearchitectuur voor efficiënte elektrochemische omzetting van koolstofdioxide naar mierenzuur", werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Mierenzuur is een potentieel chemisch tussenproduct met een breed scala aan toepassingen, met name als grondstof in de chemische en biologische industrie. Mierenzuur is ook geïdentificeerd als grondstof voor bioraffinage tot schone vliegtuigbrandstof.
Elektrolyse van CO2 resulteert in de reductie van CO2 tot chemische tussenproducten zoals mierenzuur of moleculen zoals ethyleen wanneer een elektrisch potentiaal op de elektrolytische cel wordt aangelegd.
De membraan-elektrode-assemblage (MEA) in een elektrolyzer bestaat doorgaans uit een ionengeleidend membraan (kation- of anionenuitwisselingsmembraan) ingeklemd tussen twee elektroden die bestaan ​​uit een elektrokatalysator en een ionengeleidend polymeer.
Gebruikmakend van de expertise van het team op het gebied van brandstofceltechnologieën en waterstofelektrolyse, bestudeerden ze verschillende MEA-configuraties in elektrolytische cellen om de elektrochemische reductie van CO2 tot mierenzuur te vergelijken.
Op basis van een analyse van de tekortkomingen van verschillende ontwerpen, probeerde het team de beperkingen van bestaande materialen te benutten, met name het gebrek aan ionenafstoting in de huidige anionenuitwisselingsmembranen, en het algehele systeemontwerp te vereenvoudigen.
De uitvinding van KS Neierlin en Leiming Hu van NREL betreft een verbeterde MEA-elektrolyzer met een nieuw geperforeerd kationenuitwisselingsmembraan. Dit geperforeerde membraan zorgt voor een consistente, zeer selectieve productie van mierenzuur en vereenvoudigt het ontwerp door gebruik te maken van standaardcomponenten.
"De resultaten van deze studie betekenen een paradigmaverschuiving in de elektrochemische productie van organische zuren zoals mierenzuur", aldus mede-auteur Neierlin. "De geperforeerde membraanstructuur vermindert de complexiteit van eerdere ontwerpen en kan ook worden gebruikt om de energie-efficiëntie en duurzaamheid van andere elektrochemische koolstofdioxide-omzettingsapparaten te verbeteren."
Zoals bij elke wetenschappelijke doorbraak is het belangrijk om de kostenfactoren en de economische haalbaarheid te begrijpen. NREL-onderzoekers Zhe Huang en Tao Ling presenteerden, in samenwerking met verschillende afdelingen, een techno-economische analyse waarin manieren werden geïdentificeerd om kostengelijkheid te bereiken met de huidige industriële productieprocessen voor mierenzuur, wanneer de kosten van hernieuwbare elektriciteit 2,3 cent per kilowattuur of lager zijn.
"Het team heeft deze resultaten behaald met behulp van commercieel verkrijgbare katalysatoren en polymere membraanmaterialen, en heeft tegelijkertijd een MEA-ontwerp ontwikkeld dat profiteert van de schaalbaarheid van moderne brandstofcellen en waterstofelektrolyse-installaties," aldus Neierlin.
"De resultaten van dit onderzoek kunnen helpen bij de omzetting van koolstofdioxide in brandstoffen en chemicaliën met behulp van hernieuwbare elektriciteit en waterstof, waardoor de overgang naar opschaling en commercialisering wordt versneld."
Elektrochemische conversietechnologieën vormen een kernonderdeel van NREL's Electrons to Molecules-programma, dat zich richt op de volgende generatie hernieuwbare waterstof, nulbrandstoffen, chemicaliën en materialen voor elektrisch aangedreven processen.
"Ons programma onderzoekt manieren om hernieuwbare elektriciteit te gebruiken om moleculen zoals koolstofdioxide en water om te zetten in verbindingen die als energiebronnen kunnen dienen", aldus Randy Cortright, directeur van NREL's strategie voor elektronenoverdracht en/of voorlopers voor de productie van brandstoffen of chemicaliën.
"Dit onderzoek naar elektrochemische omzetting levert een doorbraak op die kan worden toegepast in diverse elektrochemische omzettingsprocessen, en we kijken uit naar meer veelbelovende resultaten van deze groep."
Nadere informatie: Leiming Hu et al., Schaalbare membraanelektrode-assemblage-architectuur voor efficiënte elektrochemische omzetting van CO2 naar mierenzuur, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Als u een typefout of onjuistheid tegenkomt, of als u een verzoek wilt indienen om de inhoud van deze pagina te bewerken, gebruik dan dit formulier. Voor algemene vragen kunt u ons contactformulier gebruiken. Voor algemene feedback kunt u het gedeelte voor openbare reacties hieronder gebruiken (volg de instructies).
Uw feedback is erg belangrijk voor ons. Vanwege het grote aantal berichten kunnen we echter geen persoonlijk antwoord garanderen.
Uw e-mailadres wordt alleen gebruikt om de ontvanger te laten weten wie de e-mail heeft verzonden. Noch uw adres, noch het adres van de ontvanger wordt voor andere doeleinden gebruikt. De informatie die u invoert, verschijnt in uw e-mail en wordt door Tech Xplore op geen enkele manier opgeslagen.
Deze website gebruikt cookies om de navigatie te vergemakkelijken, uw gebruik van onze diensten te analyseren, gegevens te verzamelen voor gepersonaliseerde advertenties en content van derden te leveren. Door onze website te gebruiken, erkent u dat u ons privacybeleid en onze gebruiksvoorwaarden hebt gelezen en begrepen.