Nature.com сайта кӗнӗшӗн тавтапуҫ сире. Эсир усӑ куракан браузерӑн версийӗнче CSS пулӑшӑвӗ ҫителӗксӗр. Чи лайӑх результатсемшӗн эпир сире браузерӑн ҫӗнӗ версийӗпе усӑ курма сӗнетпӗр (е Internet Explorer-ра килӗшӳллӗ режима ӗҫлеттерме чарӑнӑр). Ҫав вӑхӑтрах, яланах пулӑшу парас тесе, эпир сайта стильсӗр тата JavaScriptсӑр кӑтартатпӑр.
Углекислӑ газа электрохими мелӗпе кӑткӑ йӳҫекӗ туса хурасси — углекислӑ газпа усӑ курассине лайӑхлатмалли шанчӑклӑ мел, ӑна водород упрамалли хатӗр пек усӑ курма пулать. Ку ӗҫре углекислӑ газран кӑткӑ кислотине тӳрремӗнех электрохими мелӗпе синтезлама нуль хушӑклӑ мембранӑллӑ электрод пухмалли архитектурӑна хатӗрленӗ. Технологин тӗп ҫитӗнӗвӗ — перфорациллӗ катион улӑштаракан мембрана, ӑна малалла сулӑннӑ биполярлӑ мембрана конфигурацийӗнче усӑ курнӑ чухне мембрана чиккинче пулса кайнӑ кӑпӑк кислотине анод юхӑмӗн уйӗ витӗр 0,25 М таранах куҫарма май парать. тата топливнӑй элементсенче тата водород электролизӗнче анлӑ сарӑлнӑ конструкцисем, вӗсем масштаблӑлатма тата коммерциализацилеме хӑвӑртрах куҫма май параҫҫӗ. см2 клеткӑра шӑтарнӑ катион ылмаштармалли мембрана конфигурацийӗ <2 В тата 300 мА/см2 чухне кӑткӑс кислоти валли >75% Фарадей эффективлӑхне тивӗҫтерет. Тата пӗлтерӗшлӗреххи, 200 мА/см2 ҫинче 55 сехет хушши стабильлӗх тӗрӗслевӗ Фарадей эффективлӑхне тата ячейка напряженийӗ стабильлӗ пулнине кӑтартнӑ. Техноэкономика анализӗпе усӑ курса хальхи вӑхӑтра кӑпӑк кислоти туса кӑлармалли меслетсемпе тӑкаксен шайлашӑвне ҫитермелли майсене кӑтартса параҫҫӗ.
Ҫӗнӗрен ҫуралакан электричествӑпа усӑ курса углекислӑ газа кӑпӑк кислоти туса электрохими мелӗпе чакарни производство тӑкакӗсене йӑлана кӗнӗ ҫӗр айӗнчи ҫунтармалли меслетсемпе танлаштарсан 75%1 таран чакарнине кӑтартнӑ. Литературӑра кӑтартнӑ пек2,3, кӑпӑк кислоти нумай енлӗ усӑ курать, вӑл водород упрамалли тата турттармалли тухӑҫлӑ та перекетлӗ хатӗррен пуҫласа хими промышленноҫӗ валли чӗртавар таранах4,54,5 е биомасса промышленноҫӗ66. Кӑткӑс кислотине метаболита инженерийӗпе усӑ курса каярахпа ҫирӗп реактивлӑ топливо вӑтам продукчӗсем туса хумалли чӗртавар вырӑнне те палӑртнӑ7,8. Кӑткӑ кислоти экономики аталаннӑ май1,9 катализатор суйласа илӗвне оптимизацилесси ҫине тимлӗх уйӑрнӑ темиҫе тӗпчев ӗҫӗ10,11,12,13,14,15,16. Анчах та нумай тӑрӑшни пӗчӗк Н-клеткӑсем е шӗвек юхӑмӗн ячейкисем ҫине тимлӗх уйӑрма пӑрахмасть, вӗсем пӗчӗк ток тыткӑнӗнче (<50 мА/см2) ӗҫлеҫҫӗ. Тӑкаксене чакарма, коммерциализацие ҫитме тата каярахпа рынокра ҫитме май парас тесен, электрохими углекислӑ газне чакарассине (CO2R) пысӑк ток ҫирӗплӗхӗпе (≥200 мА/см2) тата Фарадей эффективлӑхӗпе (FE)17 пурнӑҫламалла, ҫав вӑхӑтрах материалсемпе усӑ курассине ӳстермелле тата технологи топливо элементӗсенчен батарейӑсен компоненчӗсемпе усӑ курмалла тата шыв электролиз приборӗсене CO2 илме май памалла масштаб экономикин лайӑх енӗ18. Унсӑр пуҫне, производствӑн усӑллӑхне ӳстерес тата хушма тирпейлессинчен сыхланас тесен, формат тӑварӗсем вырӑнне юлашки продукт вырӑнне кӑткӑ кислотипе усӑ курмалла19.
Ҫак енӗпе юлашки вӑхӑтра промышленноҫра кирлӗ CO2R формиат/кӑпӑк кислоти ҫинче никӗсленнӗ газ диффузи электродӗсен (GDE) хатӗрӗсене хатӗрлеме тӑрӑшнӑ. Фернандес-Касо тата ыттисем тунӑ тӗплӗ тишкерӳре 20 CO2-е тӑтӑшах чакармалли мӗнпур электрохими клеткисен конфигурацийӗсене пӗтӗмлетнӗ. Пӗтӗмӗшле илсен, пур конфигурацисене те виҫӗ тӗп категорие уйӑрма пулать: 1. Юхӑм витӗр тухакан католитсем19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Пӗр мембрана (катион улӑштаракан мембрана (CEM)28 е анион улӑштаракан мембрана (AEM)29 тата 3. Сандвич конфигурацийӗ, ансатлатнӑ конфигураци, 3033,33. ҫак конфигурацисен урлӑш пайӗсене 1а ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. 1,27 мм хулӑнӑш католит сийӗллӗ углерод подложки ҫинче SnO2 катодпа усӑ курса 500 мА/см2 шайра 90% FE 35 таран ҫитнӗ. 15%. Энерги эффективлӑхне ӳстерме Li et al., пӗр CEM конфигураципе усӑ курса, 51,7 мА/см2 ток ҫӑра тӑвӑрлӑхӗпе 93,3% FE 29 ҫитнӗ. ытларах кӑмӑллакан продукт, кӑпӑк кислоти.
Ҫак тӗпчевре сӗннӗ виҫӗ чи паллӑ CO2R-ран формиат/мӑкӑль кислотине куҫармалли хатӗрсен конфигурацийӗсене тата архитектурӑна танлаштарни. b Литературӑра (Хушма таблицӑра S1 кӑтартнӑ) тата пирӗн ӗҫре католит конфигурацийӗсем, сэндвич конфигурацийӗсем, пӗр CEM конфигурацийӗсем тӗлӗшпе пӗтӗмӗшле ток тата формиат/кӑпӑк кислоти тухӑҫлӑхне танлаштарни. Уҫӑ паллӑсем формиат ирӗлчӗкӗ туса кӑларнине, хытӑ паллӑсем вара формик кислоти туса кӑларнине кӑтартаҫҫӗ. *Анод патӗнче водородпа усӑ курса кӑтартнӑ конфигураци. c Нуль хушӑклӑ МЭА конфигурацийӗ, малалла ҫаврӑнакан режимра ӗҫлекен шӑтӑклӑ катион ылмаштармалли сийлӗ композитлӑ биполярлӑ мембранӑпа усӑ курса.
Формат йӗркеленесрен сыхланас тесе, Пройетто тата ыттисем. 32 ҫурӑлман фильтр пресс конфигурацийӗпе усӑ курнӑ, унта деионизациленӗ шыв хушӑри сий витӗр юхать. Система 50–80 мА/см2 ток ҫӑра диапазонӗнче >70% CE ҫитме пултарать. Ҫавӑн пекех Ян тата ыттисем те. 14-мӗшӗнче CEM тата AEM хушшинчи хытӑ электролит сийӗпе усӑ курма сӗннӗ, ҫакӑ вара кӑткӑс кислоти йӗркеленессине пулӑшать. Ян тата ыттисем 31,36 5 см2 клеткӑра 200 мА/см2 91,3% FE ҫитернӗ, 6,35 мас.% кӑпӑк кислоти ирӗлчӗкӗ туса кӑларнӑ. Ся тата ыттисем. Ҫакӑн пек конфигураципе усӑ курса 200 мА/см2 ҫинче углекислӑ газ (CO2) 83% таран кӑткӑс кислоти FE пулса тӑнӑ, системӑн ҫирӗплӗхне 100 сехет те 30 минут хушши тӗрӗсленӗ. Пӗчӗк масштаблӑ результатсем шанчӑклӑ пулсан та, шӑтӑклӑ ион ылмаштаракан сӑмаласен хакӗ тата кӑткӑслӑхӗ ӳсни сийсем хушшинчи конфигурацисене пысӑкрах тытӑмсене (тӗслӗхрен, 1000 см2) куҫарма йывӑрлатать.
Тӗрлӗ конструкцисен таса витӗмне курма эпир маларах асӑннӑ пур тытӑмсемшӗн те пӗр кВт/сехет пуҫне формат/кӗске кислоти туса кӑларассине таблицӑларӑмӑр та вӗсене 1б ӳкерчӗк ҫине ӳкертӗмӗр. Кунта ҫакӑ паллӑ: католитлӑ е хушӑри сийлӗ кирек мӗнле тытӑм та хӑйӗн ӗҫ тухӑҫлӑхне пӗчӗк ток ҫӑраланӑ чухне чи пысӑк шайра тӑвать, пысӑкрах ток ҫӑраланӑ чухне вара чакать, унта ом чикки клетка напряженине палӑртма пултарать. Унсӑр пуҫне, энергие перекетлекен CEM конфигурацийӗ пӗр кВт/сехет пуҫне чи пысӑк молярлӑ кӑпӑк кислоти туса кӑларассине тивӗҫтерет пулин те, тӑвар пухӑнни пысӑк ток ҫӑраланӑ чухне ӗҫ тухӑҫлӑхне хӑвӑрт чакарма пултарать.
Маларах сӳтсе явнӑ ҫитменлӗхсен режимӗсене ҫӑмӑллатас тесе эпир мембранӑллӑ электродсен пуххине (MEA) туса хатӗрлерӗмӗр, унта шӑтӑклӑ катион ылмаштармалли мембрана (PCEM) пур композитлӑ малалла сулӑннӑ BPM пур. Архитектурӑна 1в ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. Анода водород (H2) кӗртеҫҫӗ, вӑл водород окислени реакцийӗ (HOR) урлӑ протонсем туса кӑларать. BPM системине PCEM сийӗ кӗртеҫҫӗ, ҫапла майпа катод ҫинче пулса кайнӑ формиат ионӗсем AEM витӗр тухма пултараҫҫӗ, протонсемпе пӗрлешсе BPM интерфейсӗнче тата CEM хушшинчи шӑтӑксенче формик кислоти пулса тӑраҫҫӗ, унтан GDE анодӗпе юхӑм уйӗ витӗр тухаҫҫӗ. . Ҫак конфигураципе усӑ курса эпир 25 см2 клетка лаптӑкӗ валли <2 В тата 300 мА/см2 шайра >75% FE кӑткӑс кислотине ҫитертӗмӗр. Чи кирли вара — проектра топливнӑй элементсемпе шыв электролизӗн заводӗсем валли суту-илӳре пур компонентсемпе тата аппарат архитектурипе усӑ кураҫҫӗ, ҫакӑ вара хӑвӑртрах масштаблама май парать. Католит конфигурацийӗсенче католит юхӑмӗн камерисем пур, вӗсем газпа шӗвек фазисем хушшинчи пусӑм шайлашусӑрлӑхне кӑларса тӑратма пултараҫҫӗ, уйрӑмах пысӑкрах клетка конфигурацийӗсенче. Шӗвек юхӑмӗн шӑтӑклӑ сийӗсемлӗ сэндвич-конструкцисемшӗн шӑтӑклӑ вӑтам сийне оптимизацилеме пысӑк вӑй хумалла, ҫапла майпа вӑтам сийре пусӑм чакассине тата углекислӑ газ пухӑнассине чакармалла. Ҫаксем иккӗшӗ те сотовӑй ҫыхӑнӑва пӑсма пултараҫҫӗ. Пысӑк масштабпа ирӗклӗ тӑракан ҫӳхе шӑтӑклӑ сийсем туса кӑларма та йывӑр. Унпа танлаштарсан, сӗннӗ ҫӗнӗ конфигураци — нуль хушӑклӑ МЭА конфигурацийӗ, унта юхӑм камери е вӑтам сий ҫук. Ытти хальхи электрохими элеменчӗсемпе танлаштарсан, сӗннӗ конфигураци хӑйне евӗрлӗ, мӗншӗн тесен вӑл масштаблӑ, энергие перекетлекен, нуль хушӑклӑ конфигурацире кӑткӑ кислотине тӳрремӗнех синтезлама май парать.
Водород эволюцине пусарма пысӑк масштаблӑ CO2 чакармалли ӗҫре MEA тата AEM мембрана конфигурацийӗсемпе пысӑк молярлӑ концентрациллӗ электролитсемпе (тӗслӗхрен, 1-10 М KOH) пӗрле усӑ курса катод ҫинче шӗвек условийӗсем туса хунӑ (2а ӳкерчӗкре кӑтартнӑ). Ҫак конфигурацисенче катод ҫинче пулса кайнӑ формат ионӗсем мембрана витӗр отрицательнӑй зарядлӑ тӗссем пек тухаҫҫӗ, унтан KCOOH пулса тӑрать те анодлӑ KOH юхӑмӗ урлӑ системӑран тухать. Формат FE тата клетка напряженийӗ малтанах лайӑх пулнӑ пулин те, 2b ӳкерчӗкре кӑтартнӑ пек, стабильлӗх тӗрӗслевӗ 10 сехет хушшинче FE 30% яхӑн чакнине кӑтартнӑ (S1a–c ӳкерчӗк). Ҫакна та палӑртмалла: 1 М KOH анолитпа усӑ курни шӗвеклӗ кислород эволюцийӗн реакцийӗн (OER) системисенче анод ытлашши напряженине чакарма тата катод катализаторӗн сийӗнче ионсене ҫитме май пуррине33 тума питӗ кирлӗ. Анолит концентрацине 0,1 М КОН таран чакарсан, клеткӑсен напряженийӗ те, кӑткӑ кислоти окислени те (кӑткӑс кислоти ҫухални) ӳсет (S1d ӳкерчӗк), ҫакӑ нуль суммӑллӑ компромисса кӑтартать. Формат окислени шайне пӗтӗмӗшле массӑллӑ баланспа усӑ курса хакланӑ; тӗплӗнрех пӗлес тесен, «Методсем» пайра пӑхӑр. MEA тата пӗр CEM мембранӑллӑ конфигурацисемпе усӑ курса ӗҫ тухӑҫлӑхне те тӗпченӗ, результатсене S1f,g ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. Тӗрӗслев пуҫламӑшӗнче катодран пухнӑ FE формат 200 мА/см2 шайра >60% пулнӑ, анчах та унччен сӳтсе явнӑ катод тӑварӗ пухӑннине пула икӗ сехет хушшинче хӑвӑрт ҫӗмӗрӗлнӗ (S11 ӳкерчӗк).
Катод ҫинче CO2R, анод ҫинче водород окислени реакцийӗ (HOR) е OER тата хушшинче пӗр AEM мембрана пур нуль хушӑклӑ MEA схеми. b FE тата ячейка напряженийӗ ҫак конфигураци валли 1 М KOH тата OER анод ҫинче юхать. Йӑнӑш йӗрӗсем виҫӗ тӗрлӗ виҫевӗн стандартлӑ пӑрӑнӑҫне кӑтартаҫҫӗ. FE тата анод патӗнче H2 тата HOR системӑллӑ ячейка напряженийӗнче. Тӗрлӗ тӗспе усӑ курса формиат тата формик кислоти туса кӑларассине уйӑраҫҫӗ. d МЭА-н схемӑллӑ диаграмми, унӑн варринче БПМ малалла куҫнӑ. Ҫак конфигураципе усӑ курса 200 мА/см2 вӑхӑтпа танлаштарсан FE тата батарейӑн напряженийӗ. f Кӗске тӗрӗслев хыҫҫӑн малалла еннелле сулӑннӑ BPM MEA-н урлӑ татӑк ӳкерчӗкӗ.
Кӑткӑ кислоти туса кӑларма анод ҫинчи Pt-on-carbon (Pt/C) катализатора водород параҫҫӗ. 2d ӳкерчӗкре кӑтартнӑ пек, анод ҫинче протонсем туса кӑларакан малалла сулӑннӑ БПМ-а кӑпӑк кислоти туса кӑларма маларах тӗпченӗ. BPM настройка блокӗ 200 мА/см2 токпа 40 минут ӗҫленӗ хыҫҫӑн ӗҫлеме пӑрахнӑ, унпа пӗрлех 5 В ытла напряжени хӑпарнӑ (2е ӳкерчӗк). Тӗрӗслев хыҫҫӑн CEM/AEM интерфейсӗнче палӑрмаллах сийленнине асӑрханӑ. Форматсӑр пуҫне, карбонат, бикарбонат тата гидроксид пек анионсем те АЭМ мембрани витӗр тухма тата CEM/AEM хушшинчи протонсемпе реакцие кӗрсе CO2 газ тата шӗвек шыв туса кӑларма пултараҫҫӗ, ҫакӑ вара BPM деламинацийӗ патне илсе пырать (2f ӳкерчӗк) тата юлашкинчен клетка ӗҫлеме пӑрахасси патне илсе пырать.
Ҫак конфигурацин ӗҫ тухӑҫлӑхӗпе ҫитменлӗх механизмӗсене тӗпе хурса ҫӗнӗ МЭА архитектурине сӗннӗ, ӑна 1в ӳкерчӗкре кӑтартнӑ тата 3а38 ӳкерчӗкре тӗплӗн ҫырса кӑтартнӑ. Кунта PCEM сийӗ CEM/AEM интерфейсӗнчен кӑткӑ кислотипе анионсен миграцийӗ валли ҫул уҫать, ҫавна май япала пухӑнассине чакарать. Ҫав вӑхӑтрах PCEM интерстициаллӑ ҫулӗ диффузи хутлӑхне тата юхӑм уйне кӑткӑ кислотине илсе каять, ҫакӑ вара кӑткӑ кислотине окислени пулма пултарассине чакарать. 80, 40 тата 25 мм хулӑнӑшлӑ АЭМсемпе усӑ курса поляризаци результачӗсене 3б ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. Кӗтнӗ пекех, АЭМ хулӑнӑшӗ ӳснӗ май клеткӑн пӗтӗмӗшле напряженийӗ ӳсет пулин те, хулӑнрах АЭМпа усӑ курни кӑткӑ кислотине каялла диффузилеме чарать, ҫавна май катодӑн рН-не ӳстерет тата Н2 туса кӑларассине чакарать (3-мӗш ӳкерчӗк, в–д).
a МЭА структурин иллюстрацийӗ АЭМ тата шӑтарнӑ ЦЭМ тата тӗрлӗ кӑпӑк кислоти транспорчӗн ҫулӗсемпе. b Тӗрлӗ ток ҫирӗплӗхӗпе тата тӗрлӗ АЭМ хулӑнӑшӗпе ячейка напряженийӗ. 80 мкм хулӑнӑшлӑ AEM (d) 40 мкм, e) 25 мкм хулӑнӑшлӑ тӗрлӗ ток ҫирӗплӗхӗнче EE-ра. Йӑнӑш йӗрӗсем виҫӗ уйрӑм тӗслӗхрен виҫнӗ стандартлӑ пӑрӑнӑҫа кӑтартаҫҫӗ. f Тӗрлӗ хулӑнӑшри АЭМ ҫинчи CEM/AEM интерфейсӗнче мӑйӑх кислоти концентрацийӗпе рН хакне моделировани результачӗсем. f ПК тата рН катод сийӗнчи катализаторӑн тӗрлӗ хулӑнӑшлӑ АЭМ пленкиллӗ. g CEM/AEM интерфейсӗпе тата перфораципе формик кислоти концентрацийӗн икӗ виҫеллӗ пайланӑвӗ.
S2 ӳкерчӗкре Пуассон-Нернст-Планк вӗҫлӗ элементсен моделӗпе усӑ курса МЭА хулӑнӑшӗ тӑрӑх кӑткӑс кислоти концентрацийӗпе рН пайланӑвне кӑтартнӑ. Кӑткӑ кислотин чи пысӑк концентрацийӗ, 0,23 моль/л, CEM/AEM хушшинчи ҫыхӑнура пулни нимӗн чухлӗ те тӗлӗнтермест, мӗншӗн тесен ҫак ҫыхӑнура кӑпӑк кислоти пулса тӑрать. АЭМ урлӑ кӑткӑ йӳҫекӗн концентрацийӗ АЭМ хулӑнӑшӗ ӳснӗ май хӑвӑртрах чакать, ҫакӑ вара масса куҫӑмне хирӗҫ тӑнине тата каялла диффузие пула кӑткӑ йӳҫекӗн юхӑмӗ сахалрах пулнине кӑтартать. f тата g ӳкерчӗксенче катод катализаторӗн сийӗнчи рН тата кӑткӑ кислоти хакӗсене каялла диффузи тата кӑткӑ кислоти концентрацийӗн икӗ виҫеллӗ пайланӑвне кӑтартнӑ. АЭМ мембрани мӗн чухлӗ ҫӳхерех, катод ҫывӑхӗнче кӑткӑс кислоти концентрацийӗ ҫавӑн чухлӗ пысӑкрах, катодӑн рН-ӗ йӳҫӗ пулать. Ҫавӑнпа та, хулӑнрах АЭМ мембранисем пысӑкрах ом ҫухатӑвӗсем кӳреҫҫӗ пулин те, вӗсем катод ҫине кӑткӑ кислоти каялла диффузине сирсе яма тата FE кӑткӑ кислоти тытӑмӗн пысӑк тасалӑхне ӳстерме питӗ кирлӗ. Юлашкинчен, АЭМ хулӑнӑшне 80 мкм таран ӳстерсен, <2 В чухне кӑткӑс кислотишӗн FE >75% тата 25 см2 клетка лаптӑкӗшӗн 300 мА/см2 пулнӑ.
Ҫак PECM никӗсӗ ҫинче тунӑ архитектурӑн ҫирӗплӗхне тӗрӗслес тесе батарейӑн токне 55 сехет хушши 200 мА/см2 тытса тӑнӑ. Пӗтӗмӗшле кӑтартусене 4-мӗш ӳкерчӗкре кӑтартнӑ, малтанхи 3 сехетри кӑтартусене S3 ӳкерчӗкре палӑртнӑ. Pt/C анодлӑ катализаторпа усӑ курнӑ чухне малтанхи 30 минут хушшинче клетка напряженийӗ хӑвӑрт ӳснӗ (S3a ӳкерчӗк). Вӑрах вӑхӑт хушшинче клетка напряженийӗ пӗр пек тенӗ пекех тӑнӑ, ҫакӑ 0,6 мВ/сехет хӑвӑртлӑхпа ҫӗмӗрӗлнӗ (4а ӳкерчӗк). Тӗрӗслев пуҫламӑшӗнче анод патӗнче пухӑннӑ кӑткӑс кислотин ФВ 76,5%, катод патӗнче пухӑннӑ водородӑн ФВ 19,2% пулнӑ. Тӗрӗслевӗн пӗрремӗш сехечӗ хыҫҫӑн водород FE 13,8% таран чакнӑ, ку формат селективлӑхӗ лайӑхланнине пӗлтерет. Анчах та системӑри кӑткӑс кислотин окислени хӑвӑртлӑхӗ 1 сехет хушшинче 62,7% таран чакнӑ, анодлӑ кӑпӑк кислотин окислени хӑвӑртлӑхӗ вара тӗрӗслев пуҫламӑшӗнче нульрен 17,0% таран ӳснӗ. Кайран эксперимент вӑхӑтӗнче H2, CO, кӑткӑ кислотин FE тата кӑткӑ кислотин анодлӑ окислени хӑвӑртлӑхӗ пӗр пек юлнӑ. Пӗрремӗш сехет хушшинче кӑткӑ кислоти окислени ӳсни ПКЭМ/АЭМ хушшинчи кӑткӑ кислоти пухӑннипе ҫыхӑннӑ пулма пултарать. Кӑткӑ кислоти концентрацийӗ ӳснӗ май вӑл мембрана шӑтӑкӗ витӗр тухать кӑна мар, вӑл FEM витӗр те сарӑлать те Pt/C анод сийне кӗрет. Кӑткӑ кислоти 60°C температурӑра шӗвек пулнӑран унӑн пухӑнӑвӗ масса куҫӑмӗн ыйтӑвӗсене кӑларса тӑратма пултарать тата водородран лайӑхрах окислени патне илсе пырать.
a Ячейка напряженийӗ вӑхӑтпа танлаштарсан (200 мА/см2, 60 °C). Ҫак ӳкерчӗкре перфорациленӗ ЭМ-па МЭА урлӑшӗн оптика микроскопӗн ӳкерчӗкӗ пур. Масштаб: 300 мкм. b Pt/C анодпа усӑ курса 200 мА/см2 вӑхӑт функцийӗ пек ПЭ тата кӑткӑс кислоти тасалӑхӗ.
Тӗрӗслев пуҫламӑшӗнчи (БОТ) тата 55 сехет хушши стабиллӗх тӗрӗслевӗ хыҫҫӑн тӗрӗслев пуҫламӑшӗнчи (БОТ) тата тӗрӗслев вӗҫӗнчи (ЭОТ) пробӑсен морфологине нано-рентген компьютер томографийӗпе (нано-КТ) усӑ курса палӑртнӑ, ӑна 5 а ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. EOT тӗслӗхӗн катализатор пайӑркисен калӑпӑшӗ пысӑкрах, унӑн диаметрӗ 1207 нм, BOT валли вара 930 нм. Пысӑк кӗтеслӗ ҫаврашкаллӑ тӗттӗм уй-хир сканерлӑ трансмиссиллӗ электрон микроскопийӗн (HAADF-STEM) ӳкерчӗкӗсем тата энерги дисперсиллӗ рентген спектроскопийӗн (EDS) результачӗсене 5b ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. BOT катализатор сийӗнче пӗчӗкрех катализатор пайӗсем тата хӑш-пӗр пысӑкрах агломератсем пур пулсан, EOT тапхӑрӗнче катализатор сийне икӗ уйрӑм региона уйӑрма пулать: пӗри ​​палӑрмаллах пысӑкрах хытӑ пайӑркасемпе, тепри шӑтӑклӑрах регионсемпе. Пӗчӗкрех пайӑркасен шучӗ. EDS ӳкерчӗкӗ ҫакна кӑтартать: пысӑк хытӑ пайӑркасем Bi-па пуян, тен, металл Bi-па, шӑтӑклӑ вырӑнсем вара кислородпа пуян. Ячейкӑна 200 мА/см2 хӑвӑртлӑхпа ӗҫлеттернӗ чухне катодӑн отрицательнӑй потенциалӗ Bi2O3 шайне чакарать, ҫакна ҫакӑнта сӳтсе явнӑ in situ рентген абсорбци спектроскопийӗн результачӗсем ҫирӗплетеҫҫӗ. HAADF-STEM тата EDS карттӑсен результачӗсем Bi2O3 редукци процесӗ витӗр тухнине, ҫавна пула вӗсем кислород ҫухатнине тата пысӑкрах металл пайӗсем пулса агломерациленнине кӑтартаҫҫӗ. BOT тата EOT катодӗсен рентген дифракцийӗн ӳкерчӗкӗсем EDS даннӑйӗсене ӑнлантарса панине ҫирӗплетеҫҫӗ (5в ӳкерчӗк): BOT катодӗнче кристалл Bi2O3 кӑна тупнӑ, EOT катодӗнче вара кристалл биметалл тупнӑ. Катод потенциалӗ Bi2O3 катод катализаторӗн окислени тӑрӑмне мӗнле витӗм кӳнине ӑнланас тесе температурӑна уҫӑ схема потенциалӗнчен (+0,3 В RHE хирӗҫ) пуҫласа -1,5 В (RHE хирӗҫ) таран улӑштарнӑ. Bi2O3 фази -0,85 В ҫинче RHE шайӗнче чакма пуҫланине асӑрханӑ, спектрӑн хӗрринчи шурӑ йӗрӗн хӑватлӑхӗ чакни металл Bi -1,1 шайӗнче RHE 90% таран чакнине пӗлтерет. V RHE хирӗҫ (5d ӳкерчӗк). Механизма пӑхмасӑрах, катод морфологийӗнче, катализаторӑн окислени тӑрӑмӗнче тата микрокристалл структуринче палӑрмаллах улшӑнусем пулнӑ пулин те, катод ҫинчи формиатӑн пӗтӗмӗшле селективлӑхӗ тӗпрен илсен улшӑнмасть, ҫакна H2 тата CO FE тата формик кислоти пулса тӑнинчен пӗлме пулать.
нано-рентген КТ мелӗпе илнӗ катализатор сийӗн виҫӗ виҫеллӗ структури тата катализатор пайӗсен пайланӑвӗ. Масштаб: 10 мкм. b 2-мӗш ҫӳлте: BOT тата EOT катализаторсен катод сийӗсен HAADF-STEM ӳкерчӗкӗсем. Масштаб: 1 мкм. Аялта 2: EOT катализаторӑн катод сийӗн пысӑклатнӑ HADF-STEM тата EDX ӳкерчӗкӗсем. Масштаб: 100 нм. c BOT тата EOT катод тӗслӗхӗсен рентген дифракцийӗн ӳкерчӗкӗсем. d 0,1 М KOH-ра Bi2O3 электродӑн in situ рентген абсорбци спектрӗсем потенциал функцийӗ пек (0,8 В-ран пуҫласа -1,5 В таран RHE-па танлаштарсан).
Кӑткӑс кислоти окисленнине чарса энерги тухӑҫлӑхне ӳстерме мӗнле майсем пуррине тӗп-тӗрӗс палӑртас тесе, напряжени ҫухатӑвӗн тӳпине палӑртма Н2 эталонлӑ электродпа усӑ курнӑ39. 500 мА/см2 тан пӗчӗкрех ток ҫирӗплӗхӗнче катод потенциалӗ -1,25 В тан аяларах юлать. Анод потенциалӗ икӗ тӗп пая пайланать: ылмашӑну токӗн ҫӑра тӑвӑрлӑхӗ HOR тата маларах виҫнӗ Бультер-Вольмер уравненийӗпе прогнозланӑ теориллӗ ытлашши напряжени HOR 40, юлнӑ пайӗ вара оксид кислотишӗн пулакан окислени пулать. HOR41-пе танлаштарсан реакци кинетики чылай ерипенрех пулнӑран анод ҫинчи кӑткӑс кислоти окислени реакцийӗн пӗчӗк хӑвӑртлӑхӗ анод потенциалне палӑрмаллах ӳстерме пултарать. Результатсем ҫакна кӑтартаҫҫӗ: кӑткӑс кислоти анодлӑ окисленине пӗтӗмпех чарни 500 мВ яхӑн ытлашши напряженине пӗтерме пултарать.
Ҫак хаклава тӗрӗслес тесе анод кӗрекен ҫӗрте деионизациленӗ шыв юхӑмӗн хӑвӑртлӑхне улӑштарнӑ, ҫапла майпа юхӑмри кӑпӑк кислотин концентрацине чакарнӑ. 6b тата c ӳкерчӗксенче 200 мА/см2 анод ҫинчи DI юхӑмӗн функцийӗ пек FE, кӑткӑс кислоти концентрацийӗ тата клетка напряженийӗ кӑтартнӑ. Деионизациленӗ шыв юхӑмӗ 3,3 мл/минран 25 мл/мин таран ӳснӗ май анодри кӑткӑс кислоти концентрацийӗ 0,27 моль/л-ран 0,08 моль/л таран чакнӑ. Танлаштарма, Ся тата ыттисем сӗннӗ сэндвич структурипе усӑ курса. 30 200 мА/см2 шайра 1,8 моль/л кӑткӑс кислоти концентрацийӗ пулнӑ. Концентрацие чакарни кӑткӑ йӳҫекӗн пӗтӗмӗшле FE-не лайӑхлатать тата H2 FE-не чакарать, мӗншӗн тесен кӑткӑ кислотин каялла диффузийӗ чакнине пула катодӑн рН-ӗ ытларах шӗвекленет. DI юхӑмӗн чи пысӑк шайӗнче кӑткӑ кислоти концентрацийӗ чакни те кӑткӑ кислоти окисленине пӗтӗмпех пӗтернӗ, ҫавна май 200 мА/см2 ҫинче 1,7 В-ран кӑшт каярах клеткӑн пӗтӗмӗшле напряженийӗ пулнӑ. Аккумулятор температури те пӗтӗмӗшле ӗҫ тухӑҫлӑхне витӗм кӳрет, результатсене S10 ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. Анчах та PCEM никӗсӗ ҫинче тунӑ архитектурӑсем кӑткӑ кислоти окисленине чарса лартнӑ чухне энерги тухӑҫлӑхне палӑрмаллах ӳстерме пултараҫҫӗ, ҫакӑ кӑткӑ кислоти еннелле водород селективлӑхне лайӑхлатнӑ анод катализаторӗсемпе усӑ курнипе е приборпа ӗҫленипе пулать.
a 60 °C температурӑра ӗҫлекен H2 электродпа, Pt/C анодпа тата 80 мкм АЭМпа усӑ курса клетка напряженийӗн пайланӑвӗ. b 200 мА/см2 анодлӑ деионизациленӗ шывӑн тӗрлӗ юхӑмӗпе усӑ курса пухнӑ FE тата кӑткӑс кислоти концентрацийӗсем. c Анод тӗрлӗ концентрациллӗ кӑткӑ кислотине пухнӑ чухне клетка напряженийӗ 200 мА/см2 пулать. Йӑнӑш йӗрӗсем виҫӗ тӗрлӗ виҫевӗн стандартлӑ пӑрӑнӑҫне кӑтартаҫҫӗ. d Чи пӗчӗк суту-илӳ хакне тӗрлӗ деионизациленӗ шыв юхӑмӗн хӑвӑртлӑхӗпе ӗҫ кӑтартӑвӗсем тӑрӑх пайланӑ, ҫӗршыври промышленноҫри вӑтам электричество хакӗсемпе усӑ курса 0,068 доллар/кВт/сехет тата 4,5 доллар/кг водород. (*: Анод ҫинчи кӑткӑс кислотӑн чи пӗчӗк окислени шайӗ 10 М ФА тесе шутлаҫҫӗ, ҫӗршыври вӑтам промышленноҫ электроэнерги хакӗ 0,068 доллар/кВт/сехет, водород вара 4,5 доллар/кг. **: Кӑткӑс кислоти чи пӗчӗк окислени шайӗ тесе шутлаҫҫӗ. $0.03/кВтч, тата пунктирлӑ йӗр 85 мас.% FA рынок хакне кӑтартать.
5-мӗш ӳкерчӗкре кӑтартнӑ пек, ӗҫ условийӗсен диапазонӗнче топливо пуххисен чи пӗчӗк суту-илӳ хакне пӗлес тӗллевпе техноэкономика анализӗ (ТЭА) туса пынӑ. TEA валли меслетсемпе фон даннӑйӗсене SI-ра тупма пулать. Анод шӑтӑкӗнчи ЖК концентрацийӗ пысӑкрах чухне, элемент напряженийӗ пысӑкрах пулин те, уйӑру хакӗ чакнипе топливо пуххин пӗтӗмӗшле хакӗ чакать. Енчен те катализатор е электрод технологийӗ урлӑ кӑткӑ кислотине анодлӑ окислени шайне чакарма май пур пулсан, клетка напряженийӗ пӗчӗкрех (1,66 В) тата шыв юхӑмӗнчи ФА концентрацийӗ пысӑкрах пулни (10 М) пӗрлештерни электрохими ФА туса кӑларассин хакне 0,74 АПШ долларӗ/кг (электричество ҫинче никӗсленсе) таран чакарӗ. хакӗ) $0.068/кВтч тата $4.5/кг водород42. Унсӑр пуҫне, ҫӗнӗрен ҫуратакан электроэнерги 0,03 доллар/кВт/сехет тата водород 2,3 доллар/кг малашнехи хакпа пӗрлештерсен, ФА каяш шывӗсен тӗллевӗ 1,3 миллион таран чакать, ҫавна май юлашки прогнозланӑ производство хакӗ 0,66 доллар/кг43 пулать. Ку хальхи рынок хакӗсемпе танлашать. Ҫапла вара, электрод материалӗсемпе структурисем ҫине тимлӗх уйӑрнӑ малашнехи тӑрӑшусем анодизацие татах та чакарма пултарнӑ, ҫав вӑхӑтрах пӗчӗкрех клетка напряженийӗсенче ӗҫлеме май панӑ, ҫапла майпа пысӑкрах ЖК концентрацийӗсем туса кӑларнӑ.
Пӗтӗмлетсе каласан, эпир CO2-а кӑткӑ кислотине чакармалли темиҫе нуль хушӑклӑ МЭА структурине тӗпчерӗмӗр тата ҫав структурӑна сӗнтӗмӗр, унта композитлӑ малалла еннелле сулӑннӑ биполярлӑ мембрана, ҫав шутра шӑтӑклӑ катион ылмаштармалли мембрана (PECM) пур, ҫакӑ вара кӑткӑс кислоти валли мембрана массине куҫармалли интерфейса ҫӑмӑллатма май парать. . Ку конфигураци 0,25 М таран концентрацире (3,3 мл/мин анод DI юхӑмӗпе) >96% кӑткӑс кислоти туса кӑларать. Пысӑкрах DI юхӑмӗн хӑвӑртлӑхӗпе (25 мл/мин) ҫак конфигураци 25 см2 клетка лаптӑкӗпе усӑ курса 1,7 В ҫинче 200 мА/см2 >80% FE ток ҫӑра тӑвӑрлӑхне тивӗҫтернӗ. Вӑтам анодлӑ DI хӑвӑртлӑхӗсенче (10 мл/мин) PECM конфигурацийӗ 200 мА/см2 ҫинче 55 сехет хушши тӗрӗсленӗ чухне стабильлӗ напряжени тата пысӑк формӑллӑ кислота FE шайне тытса тӑнӑ. Суту-илӳре пур катализаторсемпе полимерлӑ мембрана материалӗсен пысӑк стабильлӗхне тата суйласа илӗвне вӗсене оптимизациленӗ электрокатализаторсемпе пӗрлештерсе татах та ӳстерме пулать. Малаллахи ӗҫсем ӗҫ условийӗсене, анод катализаторӗн суйласа илӗвне тата МЭА структурине тӳрлетесси ҫине тимлӗх уйӑрӗҫ, ҫапла майпа кӑткӑс кислоти окисленийӗ чакать, ҫакӑ вара пӗчӗкрех клетка напряженийӗсенче ытларах концентратлӑ юхӑм пулать. Кунта кӑтартнӑ углекислӑ газпа усӑ курмалли ансат меслет анолит тата католит камерисем, сэндвич компоненчӗсем тата ятарлӑ материалсем кирлӗ маррине пӗтерет, ҫавна май клеткӑсен энерги тухӑҫлӑхне ӳстерет тата системӑн кӑткӑслӑхне чакарать, ҫавна май ӑна масштаблама ҫӑмӑллатать. Сӗннӗ конфигураци малашне техника тата экономика тӗлӗшӗнчен усӑллӑ CO2 ҫавӑракан заводсене аталантарма май парать.
Урӑхла палӑртман пулсан, пур хими сортлӑ материалсемпе тата ирӗлтерекен япаласемпе те илнӗ пекех усӑ курнӑ. Висмут оксичӗн катализаторне (Bi2O3, 80 нм) US Research Nanomaterials, Inc компанирен туяннӑ. Полимер порошокне (AP1-CNN8-00-X) IONOMR компани панӑ. Omnisolv® маркӑллӑ N-пропанол (nPA) тата питӗ таса шыв (18,2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 шыв тасатмалли система) Millipore Sigma компанирен туяннӑ. ACS сертификатлӑ метанолпа ацетона VWR Chemicals BDH® тата Fisher Chemical компанисенчен туянаҫҫӗ. Полимер порошокне ацетонпа метанол хутӑшӗпе 1:1 виҫепе хутӑштарнӑ та 6,5 мас.% концентрациллӗ полимер дисперсийӗ илнӗ. Каталитикӑллӑ чернила 30 мл банкӑра 20 г Bi2O3, ультратаса шыв, nPA тата иономер дисперсийӗ хутӑштарса хатӗрлемелле. Композицире 30 мас.% катализатор, иономерпа катализаторӑн массӑллӑ шайлашӑвӗ 0,02 тата спиртпа шывӑн массӑллӑ шайлашӑвӗ 2:3 (40 мас.% нПА) пулнӑ. Пӑтратиччен хутӑша 70 г Glen Mills 5 мм цирконий шлифовальнӑй материал хушнӑ. Пробӑсене FisherbrandTM цифрӑллӑ кӗленче роликӗ ҫине 80 ҫаврӑм/мин хӑвӑртлӑхпа 26 сехет хушши лартнӑ. Ҫыпӑҫтариччен чернила 20 минут лартмалла. Bi2O3 чернилне Qualtech автомат аппликаторӗ ҫине (QPI-AFA6800) 1/2′′ x 16′′ лабораторири пралукпа (RD Specialties – 60 мил диаметрлӑ) 22°C температурӑра ҫыпӑҫтарнӑ. 5 мл каталитикӑллӑ чернила 7,5 х 8 дюймлӑ Sigraacet 39 BB углерод газӗн диффузи несущийӗ ҫине (топливо элеменчӗн упрамалли хатӗрӗ) 55 мм/ҫеккунтлӑ вӑтам хӑвӑртлӑхпа ҫыпӑҫтарнӑ. Ҫак сӑрланӑ электродсене духовкӑна куҫарӑр та 80 °C температурӑра типӗтӗр. Штанга сийӗн процесне тата GDE сийӗн ӳкерчӗкӗсене S4a тата b ӳкерчӗксенче кӑтартнӑ. Рентген флуоресценцийӗн (XRF) приборӗ (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) ҫакна ҫирӗплетнӗ: сӑрланӑ GDE 3,0 мг Bi2O3/см2 пулнӑ.
Композитлӑ мембрана конфигурацийӗсем валли, вӗсенче анион ылмаштаракан мембрана (AEM) тата шӑтӑклӑ CEM пур. CEM сийӗ вырӑнне 15 мкм хулӑнӑшлӑ Nafion NC700 (Chemours, USA) усӑ курнӑ. Анод катализаторне тӳрех ФЭМ ҫине иономерпа углерод шайлашӑвӗ 0,83 тата 25 см2 лаптӑкпа сирпӗтнӗ. Анод катализаторӗ вырӑнне 0,25 мг Pt/cm2 йывӑрӑшлӑ пысӑк ҫиелти лаптӑклӑ (50 мас.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA хаклӑ металл) ҫирӗплетнӗ платина усӑ курнӑ. Катализаторӑн анод сийӗ валли иономер вырӑнне Nafion D2020 (Ion Power, USA) усӑ курнӑ. CEM перфорацине CEM пленки ҫинче 3 мм хушӑра параллельлӗ йӗрсем касса тӑваҫҫӗ. Перфораци процесӗн вак-тӗвекӗсене S12b тата c ӳкерчӗксенче кӑтартнӑ. Рентген компьютер томографийӗпе усӑ курса перфораци хушши 32,6 мкм пулнине ҫирӗплетнӗ, ӑна S12d тата e ӳкерчӗксенче кӑтартнӑ. Клеткӑсене пуҫтарнӑ чухне катализаторпа сӑрланӑ шӑтӑклӑ CEM мембрана 25 см2 Toray хут ҫине (5 мас.% PTFE ӗҫленӗ, Fuel Cell Store, USA) хунӑ. CEM ҫине, унтан GDE катод ҫине 25, 40 е 80 мкм хулӑнӑш AEM мембрана (PiperION, Versogen, USA) лартнӑ. АЭМ мембранине 7,5 × 7,5 см татӑксем туса пӗтӗм юхӑм уйне хупласа хунӑ та пуҫтариччен 1 М кали гидроксичӗн ирӗлчӗкӗнче ҫӗр каҫа йӗпетнӗ. Анод та, катод та 18% оптималлӑ GDE пусӑмне ҫитме ҫителӗклӗ хулӑн PTFE проставкасемпе усӑ кураҫҫӗ. Аккумуляторсене пуҫтармалли процесӑн вак-тӗвекӗсене S12a ӳкерчӗкре кӑтартнӑ.
Тӗрӗслев вӑхӑтӗнче пуҫтарнӑ ячейкӑна 60 °C (30, 60 тата 80 °C температурӑра температурӑран килнине тӗпчес ӗҫре) тытса тӑнӑ, анод ҫине 0,8 л/мин водород газӗ тата катод ҫине 2 л/мин углекислӑ газ янӑ. Анодлӑ тата катодлӑ сывлӑш юхӑмӗсене 100% относительнӑй нӳрлӗхпе тата 259 кПа абсолютлӑ катод пусӑмӗпе нӳрлетнӗ. Ӗҫленӗ чухне катод газӗн юхӑмне 1 М КОН ирӗлчӗкӗпе 2 мл/мин хӑвӑртлӑхпа хутӑштарнӑ, ҫапла майпа катод катализаторӗн сийне тата ионсене илсе пыма пулӑшнӑ. Анод газӗн юхӑмне деионизациленӗ шывпа 10 мл/мин хӑвӑртлӑхпа хутӑштармалла, анод ҫинчи кӑкӑр кислотине кӑлармалла. Устройство кӗртӗвӗсемпе тухӑвӗсен тӗплӗнлӗхӗсене S5 ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. Катодран тухакан газра CO2 пур, вӑл CO тата H2 туса кӑларать. Шыв пӑсне конденсатор урлӑ (2°C температурӑллӑ пӗчӗк температурӑллӑ ӑшӑ ылмаштармалли хатӗр) кӑлараҫҫӗ. Ытти газа газ вӑхӑтне тишкерме пуҫтарӗҫ. Анод юхӑмӗ шӗвеке газран уйӑрма конденсатор витӗр те тухать. Каяш шыва таса флаконсене пуҫтарӗҫ те шӗвек хронометрипе усӑ курса анализ тӑвӗҫ, ҫапла майпа туса кӑларнӑ кӑткӑс кислотине виҫӗҫ. Электрохими тӗрӗслевӗсене Garmy потенциостатпа (30K номерлӗ, Gamry, АПШ) усӑ курса тунӑ. Поляризаци йӗрне виҫиччен клеткӑна 0-ран пуҫласа 250 мА/см2 таран 4 хутчен 2,5 мА/см2 сканер хӑвӑртлӑхӗпе линейнӑй вольтамметрипе усӑ курса кондициленӗ. Поляризаци кукӑрӗсене гальваностатикӑллӑ режимра илнӗ, унта катод газӗпе анолит шӗвекне иличчен ячейкӑна 4 минут хушши пӗр-пӗр ток ҫирӗплӗхӗнче тытса тӑнӑ.
Катодпа анод потенциалӗсене уйӑрма эпир МЭА-ра водородлӑ эталонлӑ электродпа усӑ куратпӑр. Эталон электродӗн структурине S6a ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. MEA мембранипе эталон электрода ҫыхӑнтарма ионлӑ кӗпер вырӑнне Nafion мембранипе (Nafion 211, IonPower, USA) усӑ курнӑ. Нафион лентин пӗр вӗҫне 1 см2 газ диффузи электродӗпе (GDE) ҫыхӑнтарнӑ, ӑна 0,25 мг Pt/cm2 (50 мас.% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) 29BC углерод хут ҫине (Fuel Cell Store, USA) сирпӗтнӗ. ). Ятарлӑ полиэфирефиркетон (PEEK) хатӗрӗпе GDE тата Nafion лентисене газпа питӗрме тата лайӑх ҫыхӑну тытма, ҫавӑн пекех эталонлӑ электрода топливӑллӑ элемент хатӗрӗпе ҫыхӑнтарма усӑ кураҫҫӗ. Нафион лентин тепӗр вӗҫӗ CEM батарейӑн тухса тӑракан хӗррипе ҫыхӑннӑ. S6b ӳкерчӗкре MEA-па пӗрлештернӗ эталон электродӗн урлӑш татӑкне кӑтартнӑ.
Конденсатор тата газ-шӗвек сепараторӗ витӗр тухнӑ хыҫҫӑн катодран газ пробисем илеҫҫӗ. Пухнӑ газа 4900 Micro GC (10 мкм молекулярлӑ ала, Agilent) усӑ курса сахалтан та виҫӗ хутчен анализланӑ. Пробӑсене инертлӑ нумай сийлӗ алюмини фольгӑллӑ газ миххисенче SupelTM (Sigma-Aldrich) палӑртнӑ вӑхӑт хушши (30 ҫеккунт) пуҫтарнӑ та пухнӑ хыҫҫӑн икӗ сехет хушшинче микрогаз хроматографне алӑпа чикнӗ. Инъекци температурине 110°C лартнӑ. Углерод оксичӗпе (CO) тата водородпа (H2) ӑшӑтнӑ (105 °C) пусӑмпа (28 psi) 10 м MS5A колонка ҫинче аргонпа (Matheson Gas-Matheson Purity) илсе ҫӳрекен газ вырӑнне уйӑрнӑ. Ҫак ҫыхӑнусене ӑшӑ илсе ҫӳремелли детекторпа (ТХД) усӑ курса тупса палӑртаҫҫӗ. ГХ хроматограммисене тата CO тата H2 калибровка кукӑрӗсене S7 ӳкерчӗкре кӑтартнӑ. Анодран палӑртнӑ вӑхӑт хушши (120 ҫеккунт) шӗвек кӑпӑк кислоти пробисене пухнӑ та 0,22 мкм ПТФЭ шприц фильтрӗпе 2 мл флаконсене сӑрӑхтарнӑ. Флаконсенчи шӗвек продукчӗсене Agilent 1260 Infinity II биоинертлӑ пысӑк ӗҫ тухӑҫлӑхлӑ шӗвек хроматографи (ВЭЖХ) системипе усӑ курса анализланӑ, унта 20 мкл пробӑна автопробник (G5668A) урлӑ 4 мМ кӳкӗрт кислоти (H2SO4) куҫса ҫӳрекен фазӑпа янӑ. ) 0,6 мл/мин юхӑм хӑвӑртлӑхӗпе (тӑваттӑмӗш насус G5654A). Продукцие ӑшӑтнӑ (35°C, колонка кӑмаки G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7,8 мм (Bio-Rad) ҫинче уйӑрнӑ, ун умӗн Micro-Guard Cation H хурал колонки лартнӑ. Кӑткӑс кислотине диод массивӗн детекторӗпе (DAD) тупса палӑртнӑ. 210 нм хум тӑршшӗпе тата 4 нм диапазон сарлакӑшӗпе. HPL хроматограммине тата формик кислоти стандартлӑ калибровка йӗрне S7 ӳкерчӗкре кӑтартнӑ.
Газ продукчӗсене (CO тата H2) FE ҫак уравненипе шутлаҫҫӗ, газӑн пӗтӗмӗшле мольне вара идеаллӑ газ уравненипе шутлаҫҫӗ:
Вӗсен хушшинче: \({n}_{i}\): электрохими реакцийӗнчи электронсен шучӗ. \(F\): Фарадей константи. \({C}_{i}\): ВЭЖХ шӗвек продукчӗн концентрацийӗ. \(V\): палӑртнӑ вӑхӑтра t пухнӑ шӗвек пробин калӑпӑшӗ. \(j\): ток ҫирӗплӗхӗ. \(A\): Электродӑн геометри лаптӑкӗ (25 см2). \(t\): дискретизаци вӑхӑчӗ. \(P\): абсолютлӑ пусӑм. \({x}_{i}\): Газӑн моль процентне ГХпа палӑртнӑ. \(R\): газ константи. \(T\): температура.
Анодлӑ катионсен концентрацине индуктивлӑ ҫыхӑннӑ плазма атомлӑ эмисси спектроскопийӗпе (ICP-OES) усӑ курса виҫнӗ. Анод ӑшне юхса кӗме е диффузиленме пултаракан катионсем шутне Ti, Pt, Bi тата K кӗреҫҫӗ. Ксӑр пуҫне ытти катионсем пурте тупмалли чикӗрен аяларах пулнӑ. Ирӗлчӗкре ионсем йӗркелеҫҫӗ, анод протонсемпе е ытти катионсемпе мӑшӑрланать. Ҫавӑнпа та кӑпӑк кислотин тасалӑхне ҫапла шутласа кӑларма пулать:
Формат/ФА туса кӑларасси вӑл — уйрӑм МЭА конфигурацийӗпе усӑ курса усӑ курнӑ электричество энергийӗн пӗр кВт/сехет пуҫне мӗн чухлӗ ФА туса кӑларнине, моль/кВт/сехет виҫипе. Ӑна ятарлӑ ӗҫ условийӗсенче ток ҫирӗплӗхне, ячейка напряженине тата Фарадей эффективлӑхне шута илсе шутлаҫҫӗ.
Пӗтӗмӗшле масса шайлашӑвӗ тӑрӑх анод ҫинче окисленнӗ кӑткӑс кислоти виҫине шутласа кӑларӑр. Катод ҫинче виҫӗ хирӗҫле реакци пулса пырать: водород эволюцийӗ, CO2 CO пулса тӑни тата CO2 кӑткӑ кислоти пулса тӑни. Мӗншӗн тесен пирӗн Антонра кӑткӑ кислоти окислени процесӗ пур, кӑткӑ кислоти FE икӗ пая уйӑрма пулать: кӑткӑ кислоти пухасси тата кӑткӑ кислоти окислени. Пӗтӗмӗшле массӑллӑ баланса ҫапла ҫырма пулать:
Эпир ГХ-па усӑ курса ВЭЖХ мелӗпе пухнӑ кӑткӑ кислоти, водород тата СО виҫисене виҫрӗмӗр. Ҫакна та палӑртмалла: анодран ытларах пайне S5 хушма ӳкерчӗкре кӑтартнӑ йӗркепе усӑ курса пуҫтарнӑ. Катод камеринчен пухнӑ формиат виҫи пӗчӗк, икӗ хут сахалрах, вӑл пӗтӗмӗшле СК виҫин 0,5% тан та сахалрах.
Кунта усӑ куракан тӑтӑш транспорт моделӗ ҫакӑн пек тытӑмсем ҫинче унчченхи ӗҫсем ҫинче никӗсленет34. Электронлӑ тата ионлӑ илсе пыракан фазӑсенче шыв концентрацине тата электростатика потенциалне палӑртма Пуассон-Нерст-Планк (PNP) уравненийӗсен ҫыхӑнуллӑ тытӑмӗпе усӑ кураҫҫӗ. Тӗп уравненийӗсемпе модель геометрийӗн тӗплӗ пӗтӗмлетӗвне SI-ра панӑ.
Ку тытӑм сакӑр шывлӑ япаласен концентрацине палӑртать (\({{{{{\rm{C}}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2 \сулахаялла ({{{{{\rm{aq}}}}}}}\сылтӑмалла) }\), \({{{{\}}}}\}}\), \({{{{\}}}}}} ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{\rm{H}}}}}}{-}\), \({{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{{{{{\rm{CO}}}}}}}}}_{{{{{{\rm{CO}}}}}}}}}}}}}} 2{{{{\rm{CO}}}}} ({{{{{\rm{HCOOH}}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}}{- }\) тата \({{{ {{{\rm{K}}}}}}}^{+}\)), ионлӑ ертсе пыракан фазӑри электростатика потенциалӗ (\(I \{I \{}) тата cathodic) электропроводность. Электростатика потенциалӗсем фазӑсенче (\({\phi }_{A}\) тата \({\phi }_{C}\)). Ун вырӑнне вырӑнти электричество нейтралитетӗн те, заряд валеҫӗвӗн функцийӗсем те пурнӑҫланмаҫҫӗ, уҫлӑхри заряд регионне тӳрремӗнех Пуассон уравненийӗпе усӑ курса татса параҫҫӗ; Ҫак меслет пире CEM|AEM, CEM|Pore тата AEM|Pore интерфейсӗсенче Доннан тапӑнӑвӗн эффектӗсене тӳрремӗнех моделлеме май парать. Унсӑр пуҫне, катализаторӑн анодлӑ тата катодлӑ сийӗсенчи заряд куҫӑмне ҫырса кӑтартма шӑтӑклӑ электродсен теорийӗпе (ПЭТ) усӑ кураҫҫӗ. Авторсем пӗлнӗ тӑрӑх, ку ӗҫ ПЭТ-па нумай космос зарядлӑ регионлӑ тытӑмсенче пӗрремӗш хут усӑ курни пулса тӑрать.
GDE BOT тата EOT катод пробисене Zeiss Xradia 800 Ultra 8,0 кеВ рентген ҫӑлкуҫӗпе, абсорбци тата анлӑ уй режимӗсемпе тата ӳкерчӗксен пӗрлешӗвӗпе усӑ курса тӗрӗсленӗ1. -90°-ран пуҫласа 90° таран 50 ҫеккунт хушши ӳкернӗ 901 ӳкерчӗк пухнӑ. Реконструкцие 64 нм вокселлӑ хыҫалти проекци фильтрӗпе усӑ курса тунӑ. Сегментацие тата пайӑркасен калӑпӑшӗн пайланӑвне ятарласа ҫырнӑ кодпа усӑ курса тишкернӗ.
Электронлӑ микроскоппа характеристика пани ҫакна пӗлтерет: тӗрӗслев МЭА-сене эпоксидлӑ сӑмала ӑшне алмаз ҫӗҫӗпе питӗ ҫӳхе касма хатӗрлеҫҫӗ. Кашни MEA-н урлӑш татӑкне 50-75 нм хулӑнӑш касса илнӗ. Сканировани трансмиссиллӗ электрон микроскопӗпе (STEM) тата энерги дисперсиллӗ рентген спектроскопийӗпе (EDS) виҫме Talos F200X трансмиссиллӗ электрон микроскопӗпе (Thermo Fisher Scientific) усӑ курнӑ. Микроскоп 4 чӳречесӗр SDD детекторлӑ EDS Super-X системӑпа тивӗҫтернӗ, вӑл 200 кВ ҫинче ӗҫлет.
Порошок рентген дифракцийӗн ӳкерчӗкӗсене (PXRD) Bruker Advance D8 порошок рентген дифрактометрӗ ҫинче 40 кВ тата 40 мА ҫинче ӗҫлекен Ni-фильтрланӑ Cu Kα радиаципе илнӗ. Сканировани диапазонӗ 10°-ран пуҫласа 60° таран, утӑм калӑпӑшӗ 0,005°, даннӑйсене пухмалли хӑвӑртлӑх кашни утӑмра 1 ҫеккунт.
Bi2O3 Bi L3 катализатор хӗрринчи RAS спектрне килте тунӑ клеткӑпа усӑ курса потенциал функцийӗ пек виҫнӗ. Bi2O3 каталитикӑллӑ иономер чернилне 26,1 мг Bi2O3 156,3 мкл иономер ирӗлчӗкӗпе (6,68%) хутӑштарса 1 М KOH, шыв (157 мкл) тата изопропил спирчӗпе (104 мкл) нейтрализацилесе иономер чернилне хатӗрленӗ. Катализатор коэффициенчӗ 0,4. Графен листикӗсем ҫине чернила тӳркӗтеслӗ пӑнчӑсемпе (10×4 мм) Bi2O3 катализаторӗн нагрузки 0,5 мг/см2 ҫитичченех сӗрнӗ. Графен листикӗн ытти пайне ҫак лаптӑксене электролитран уйӑрса илме Каптонпа сӑрланӑ. Катализаторпа витнӗ графен листикне икӗ ПТФЭ хушшине чикнӗ те клетка кӗлетки ҫумне (ПЭЭК) винтсемпе ҫирӗплетнӗ, S8 ӳкерчӗк. Hg/HgO (1 М NaOH) эталонлӑ электрод вырӑнне пулнӑ, углерод хучӗ вара хирӗҫле электрод вырӑнне пулнӑ. Hg/HgO эталонлӑ электрода водородпа тултарнӑ 0,1 М KOH ӑшне чикнӗ платина пралукӗпе усӑ курса калибровка тунӑ, ҫапла майпа пур виҫнӗ потенциалсене те каялла тавӑрӑнакан водород электродӗн (RHE) шкалине куҫарнӑ. XRD спектрӗсене 30 °C таран ӑшӑтнӑ 0,1 М KOH ӑшне чикнӗ Bi2O3/графен лист ӗҫлекен электродӑн потенциалне сӑнаса илнӗ. Электролит батарейӑра ҫаврӑнать, унӑн электролит кӗмелли вырӑнӗ ячейка тӗпӗнче, тухмалли вырӑнӗ ҫӳлте, ҫапла вара электролит хӑмпӑсем пулса тӑнӑ чухне катализатор сийӗпе ҫыхӑнать. Ӗҫлекен электродсен потенциалне тытса тӑма CH Instruments 760e потенциостатпа усӑ курнӑ. Потенциал йӗрки уҫӑ схема потенциалӗ пулнӑ: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 тата +700 мВ RHE тӑрӑх. Пур iR потенциалӗсене те тӳрлетнӗ.
Bi L3 хӗрри (~13424 эВ Bi металлшӑн) рентген абсорбциллӗ вӗтӗ структурӑллӑ (XAFS) спектроскопие 10-ID каналта, Advanced Photon Source (APS), Аргонна Наци Флуоресценци Лабораторийӗнче туса пынӑ. Наци модель виҫисен лабораторийӗ. Рентген энергине йӗркелеме шӗвек азотпа сивӗтнӗ икӗ кристалллӑ Si(111) монохроматорпа усӑ курнӑ, гармоникӑллӑ содержанине чакарма вара родийпе сӑрланӑ тӗкӗрпе усӑ курнӑ. Скан энергийӗсем 13200-14400 эВ таран улшӑннӑ, флуоресценцие 5 × 5 кремний PIN-диод массивӗпе усӑ курса фильтрсемсӗр е Соллер шӑтӑкӗсемсӗр виҫнӗ. Иккӗмӗш производнӑйӑн нуль урлӑ каҫмалли энергине Pt фольгӑн L2 хӗрри урлӑ 13271,90 эВ ҫинче калибровка тунӑ. Электрохими ячейкин хулӑнӑшӗ пирки эталонлӑ стандартӑн спектрне пӗр вӑхӑтрах виҫме май килмерӗ. Ҫапла вара, эксперимент тӑршшӗпех темиҫе хутчен виҫнине шута илсе, ӳкекен рентген энергийӗн сканертан сканер улшӑнӑвне шутласа кӑларнӑ ±0,015 эВ пулать. Bi2O3 сийӗн хулӑнӑшӗ флуоресценцие хӑйне хӑй йышӑнма май парать; электродсем ӳкекен пайӑркапа детектор тӗлӗшӗнчен ҫирӗп ориентацие тытса тӑраҫҫӗ, ҫавна май пур сканерсем те пӗр пекех пулаҫҫӗ. Ҫывӑхри XAFS спектрӗпе висмутӑн окислени тӑрӑмне тата хими формине Bi тата Bi2O3 стандартсен XANES регионӗпе танлаштарса палӑртма Athena программин линейнӑй комбинациллӗ ҫыхӑну алгоритмӗпе (0.9.26 верси) усӑ курнӑ. IFEFFIT 44 кодпа.
Ҫак статьяри цифрӑсене тата ҫак тӗпчевӗн ытти пӗтӗмлетӗвӗсене ҫирӗплетекен даннӑйсене тивӗҫлӗ ыйтупа тивӗҫлӗ автортан илме пулать.
Крэндалл Б. С., Брикс Т., Вебер Р. С. тата Цзяо Ф. Симӗс медиа ҫыхӑнӑвӗсен техноэкономика хаклавӗ H2. Энерги топливисем 37, 1441–1450 (2023).
Юнас М, Резаказеми М, Арбаб МС, Шах Дж тата Рехман В. Симӗс водород упрасси тата илсе ҫитересси: пысӑк активлӑ пӗр евӗрлӗ тата гетерогенлӑ катализаторсемпе усӑ курса кӑткӑс кислотине дегидрогенизацилесси. интернационаллӑх. Дж. Гидрог. Энерги 47, 11694–11724 (2022).
Ние, Р. тата ыттисем. Гетерогенлӑ куҫӑмлӑ металл катализаторӗсем ҫинче кӑткӑс кислотине каталитикӑлла куҫарса гидрированилес енӗпе юлашки вӑхӑтра тунӑ ҫитӗнӳсем. АКС каталогӗ. 11, 1071–1095 (2021).
Рахими, А., Ульбрих, А., Кун, Дж. Дж. тата Штал, С. С. Кӑткӑс кислотипе ҫыхӑннӑ деполимеризаци окисленнӗ лигнинран ароматлӑ хутӑшсем пулса тӑраҫҫӗ. Ҫутҫанталӑк 515, 249–252 (2014).
Шулер Э. тата ыттисем. Кӑткӑ кислоти CO 2 утилизацийӗн тӗп вӑтам продукчӗ пулса тӑрать. симӗс. Хими. 24, 8227–8258 (2022).
Чжоу, Х. тата ыттисем. Углеводсемпе лигнин шайне пӗтӗмӗшле ӳстерме юхӑм витӗр тухакан кӑкӑр кислотипе усӑ курса биомасса хӑвӑрт ҫӗмӗрмен фракцилесси (≤15 мин). Хими тата хими 12, 1213–1221 (2019).
Кальви, Ч. Х. тата ыттисем. Адаптивлӑ лабораторири эволюциллӗ информаци инженерийӗпе усӑ курса формат ҫинче Cupriavidus necator H16 ӳсӗмне ӳстернӗ. Метаболитсем. инженер. 75, 78–90 (2023).
Ишай, О. тата Линднер, С. Н. Гонсалес де ла Круз, Дж., Тененбойм, Х. тата Бар-Эвен, А. Форматсен биоэкономики. хальхи. Шухӑш. Хими. биологи. 35, 1–9 (2016).