НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Топливные элементы обычно превращают химические вещества в электричество. Теперь же команда инженеров из Университета Торонто адаптировала технологию топливных элементов таким образом, что производится обратное: при помощи электричества из диоксида углерода получаются ценные химикаты с двумя атомами углерода в молекуле.

В водородном топливном элементе водород и кислород объединяются на поверхности катализатора. Химическая реакция высвобождает электроны, которые захватываются специальными материалами внутри топливного элемента и закачиваются в контур.

Противоположностью топливного элемента является электролизер, который использует электричество для запуска химической реакции. Авторы статьи являются экспертами в разработке электролизеров, которые превращают CO₂ в другие молекулы на основе углерода, такие как этилен.

"Этилен является одним из наиболее широко производимых химических веществ в мире", - говорит один из исследователей Джошуа Уикс. "Он используется для изготовления всего, от антифриза до садовой мебели. Сегодня этилен производится из ископаемых видов топлива, но, если бы мы могли вместо этого генерировать этилен путем превращения отходов CO₂, то это обеспечило бы новый экономический стимул улавливанию углерода."

Современные электролизеры еще пока не производят этилена в достаточно больших масштабах, чтобы конкурировать с ископаемым топливом. Часть проблемы заключается в уникальной природе химической реакции, которая превращает CO₂ в этилен и другие молекулы на основе углерода.

«Реакция требует трех вещей: CO₂, который представляет собой газ, ионы водорода, которые поступают из жидкой воды, и электроны, которые передаются через металлический катализатор», - говорит другой член команды Однан Озден. «Быстрое объединение этих трех различных фаз, особенно СО₂, является сложной задачей, и это ограничивает скорость реакции».

В своей новейшей конструкции электролизера команда использовала уникальное расположение материалов для преодоления трудностей, связанных с объединением реагентов. Электроны доставляются с использованием катализатора на основе меди, который команда разработала ранее. Но вместо плоского металлического листа, катализатор в новом электролизере имеет форму мелких частиц, встроенных в слой фторполимера, известного как Nafion.

Нафион — это иономер - фторполимер, который может проводить заряженные частицы - ионы. Сегодня он обычно используется в топливных элементах, где его роль заключается в транспортировке положительно заряженных ионов водорода (H⁺) внутри реактора.

«В наших экспериментах мы обнаружили, что определенное расположение Нафиона может облегчить транспортировку таких газов, как CO₂», - говорит ещё один член команды Гарсия де Аркер. «Наша конструкция позволяет газовым реагентам достигать поверхности катализатора достаточно быстро и достаточно распределенным образом, чтобы значительно увеличить скорость реакции».

Поскольку реакция больше не ограничивалась тем, как быстро все три реагента могут объединиться, команда смогла превратить CO₂ в этилен и другие продукты в 10 раз быстрее, чем раньше. Несмотря на успехи, устройство еще далеко от коммерческой жизнеспособности. Одна из основных оставшихся проблем связана со стабильностью катализатора при новых более высоких плотностях тока. Система может эксплуатироваться около 10 часов, прежде чем слой катализатора разрушится и это пока ещё далеко до цели в тысячи часов, которые потребуются для промышленного применения.

В настоящее время команда изучает новые стратегии стабилизации слоя катализатора и оптимизируют его для производства других химических продуктов и, в частности, этанола.

Возможность производства этанола как топлива, строительных материалов и других продуктов с нейтральным уровнем выбросов углерода является важным шагом на пути к снижению нашей зависимости от ископаемых ресурсов.

«Даже если мы перестанем использовать нефть для производства энергии, нам все равно понадобятся все эти молекулы», - говорит Гарсия де Аркер. «Если мы сможем производить их с использованием отработанного CO₂ и возобновляемых источников энергии, мы сможем оказать существенное влияние на обезуглероживание нашей экономики».

 

Источник: University of Toronto Engineering News