× malapit na
Iminungkahing modelo ng mekanismo, na nagpapakita kung paano nalilimitahan ang paggalaw ng hydroxide sa pamamagitan ng mabagal na pagpapalitan na may pagharang sa mga ion ng acetate. Pinasasalamatan: Mula kay Toh et al, Enerhiya ng Kalikasan (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01404-7
Ang mga bipolar membrane (BPMs) ay isang klase ng ion-exchange membrane na karaniwang binubuo ng cation- at anion-exchange layer. Habang ang mga lamad na ito ay isinama kamakailan sa iba’t ibang mga electrochemical device para sa isang malawak na hanay ng aplikasyon, ang mga prosesong pinagbabatayan ng kanilang operasyon ay hindi pa ganap na nauunawaan.
Ang mga mananaliksik sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) ay nakabuo kamakailan ng isang bagong mechanistic na modelo na nagpapaliwanag sa mga forward bias polarization na mekanismo ng mga BPM sa halo-halong electrolyte na may iba’t ibang acidity at basicities. Ang kanilang modeloipinakilala sa Enerhiya ng Kalikasanay maaaring gabayan ang pagbuo ng mga estratehiya upang malampasan ang isyu ng mga ionic blockade, na maaaring makaapekto sa pagganap ng mga forward bias na BPM device.
“Sa una ay sinusubukan naming magdisenyo ng isang electrolyzer na nagko-convert ng carbon dioxide CO2 sa mga kapaki-pakinabang na feedstock o fuel gamit ang bipolar membranes (BPMs),” sinabi ni Yogesh Surendranath, co-author ng papel, sa Tech Xplore. “Upang magbigay ng kaunting konteksto, CO2 ang mga electrolyzer ay pinaka-epektibo kapag gumagamit ng mga alkaline electrolyte na solusyon tulad ng potassium hydroxide, ngunit dahil CO2 ay isang acid gas, ito ay tumutugon sa mga alkaline na solusyon upang makagawa ng mga carbonate na solusyon sa paglipas ng panahon.”
Ang mga reaksiyong kemikal na maaaring mangyari kapag ang CO2 Ang mga electrolyzer ay gumagana gamit ang mga alkaline na solusyon ay makabuluhang nakakaapekto sa kahusayan ng mga teknolohiyang ito, kaya pinipigilan ang kanilang malawak at pangmatagalang paggamit. Sa katunayan, ang mga reaksyong ito ay nagdudulot ng CO2 feedstock upang lumipat at makatakas sa ibang bahagi ng electrolyzer, habang nagiging sanhi din ang mga ginamit na electrolyte na solusyon upang maging mas alkaline.
“Naisip namin na sa mga forward bias na BPM, maaari kaming mag-engineer ng isang electrolyzer na kukuha ng carbonated electrolyte at i-react ito sa isang acid-base na reaksyon sa BPM upang baguhin ang CO.2 gas,” paliwanag ni Surendranath. “Ito naman ay magpapahintulot sa amin na bumuo ng isang electrolyzer na matatag at mabubuhay sa mahabang panahon.”
Habang ginagawa nila ang electrolyzer na kanilang naisip, napagtanto ni Surendranath at ng kanyang mga kasamahan na ang electrochemistry ng mga forward bias na BPM ay hindi pa rin gaanong naiintindihan. Kaya nagtakda sila upang punan ang ilang mga puwang sa panitikan, na sa huli ay magpapahintulot sa kanila na mapagtanto ang kanilang electrolyzer.
“Sa sandaling nagsagawa kami ng ilang paunang eksperimento upang magbigay ng kaunting liwanag sa kung paano gumagana ang mga forward bias na BPM, napagtanto namin na nagkaroon kami ng pagkakataon na magsagawa ng mas kawili-wiling pag-aaral upang matuklasan ang mekanismo ng mga forward bias na BPM, at nagpasyang sumabak muna dito. pagsisikap,” Wei Lun Toh, co-author ng papel, sinabi sa Tech Xplore.
Ang BPM ay mahalagang binubuo ng isang positibong sisingilin na lamad na nagdadala ng mga anion (ibig sabihin, ang anion-exchange membrane) at isang negatibong sisingilin na lamad na naglilipat ng mga cation (ibig sabihin, ang cation-exchange membrane). Ang mga forward bias na BPM ay mga BPM kung saan ang mga ion ay dinadala mula sa mga panlabas na solusyon patungo sa tinatawag na bipolar junction.
“Sa forward bias, ang electrolyzer ay polarized sa paraan na ang mga acidic na cation ay maaaring makapasok sa cation-exchange membrane, at ang mga pangunahing anion ay maaaring makapasok sa anion-exchange membrane,” paliwanag ni Toh. “Ang mga acidic at basic na ions na ito ay maaaring magtagpo sa interface sa pagitan ng dalawang lamad at sumailalim sa isang neutralization reaction. Halimbawa, ang mga hydrogen ions at hydroxide ions ay nagtatagpo upang gumawa ng tubig.”
× malapit na
Mga kahihinatnan ng akumulasyon ng carbonate sa BPM carbon dioxide electrolyzers. Pinasasalamatan: Mula kay Toh et al, Enerhiya ng Kalikasan (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01404-7
Ang interface sa pagitan ng mga lamad ng cation-exchange at anion-exchange ay kilala na nauugnay din sa pagbaba ng boltahe (ibig sabihin, ang boltahe ng lamad). Kapansin-pansin, natuklasan ng mga kamakailang pang-eksperimentong pag-aaral na ang boltahe ng lamad na ito ay naka-link sa kung gaano acidic o basic ang interface.
“Ang boltahe ng lamad samakatuwid ay kinokontrol kung aling mga acid at base ang maaaring tumugon sa BPM,” sabi ni Toh. “Kung mayroon kang pinaghalong mahinang pangunahing anion at isang malakas na pangunahing anion sa isa sa mga solusyon, sabihin ang acetate at hydroxide, kung gayon ang dalawang anion na ito ay maaaring parehong pumasok sa lamad ng palitan ng anion.
“Gayunpaman, depende sa boltahe ng lamad, marahil ang hydroxide lamang, na siyang mas reaktibong ion, ang maaaring mag-react. Kung gayon, ang acetate ion ay naroroon pa rin sa lamad ng palitan ng anion, ngunit humaharang sa paggalaw ng hydroxide, dahil tumatagal ito ng espasyo sa lamad.”
Ang napipigilan na paggalaw ng ilang ion dahil sa iba pang mga ion na humaharang sa kanila ay kilala bilang isang “ionic blockade.” Ang mga ionic blockade ay maaaring makabuluhang limitahan ang kasalukuyang na maaaring dumaan sa isang electrolyzer nang hindi nagreresulta sa mas mataas na boltahe.
“Sa isang kahulugan, ang paraan ng pag-ikot ng mga ion na ito sa isa’t isa ay parang shuffle sa bangketa: Magkapareho sila ng ‘landas,’ wika nga, at ang landas ay nagpapahintulot sa daanan para sa isang ion lamang sa anumang punto, kaya kailangan ng mga ion. na gumawa ng kaunting sayaw at lumipat sa konsiyerto upang payagan ang daloy,” sabi ni Toh.
“Halimbawa, ang hydroxide at acetate ay nagpapalitan ng mga lugar upang ang hydroxide ay maaaring lumipat patungo sa gitna ng BPM, at ang acetate ay maaaring makawala at lumayo mula sa gitna. Ang aktwal na larawan kung paano gumagalaw ang mga ion ay higit pa. kumplikado, ngunit ang pagkakatulad na ito sa sidewalk shuffle ay isang magandang heuristic para sa simulang pag-isipan ang tungkol sa paggalaw ng ion sa mga BPM.”
Sa kanilang papel, binalangkas ni Surendranath at ng kanyang mga kasamahan ang isang bagong modelo na mas mahusay na nagpapaliwanag kung paano naaapektuhan ng mga ionic blockade ang kahusayan sa pagbawi ng enerhiya ng mga forward bias na BPM. Habang ipinaliwanag ng mga mananaliksik ang kanilang modelo gamit ang mga solusyon sa acetate bilang isang halimbawa, nalalapat din ito sa iba pang mga solusyon na maaaring harangan ang paggalaw ng hydroxide, tulad ng carbonate,
Ang ionic blockade phenomenon na binalangkas ni Surendranath at ng kanyang mga kasamahan ay direktang nakakaapekto sa operasyon ng CO2 mga electrolyzer. Sa katunayan, ang mga tumaas na konsentrasyon ng acetate o carbonate ay kilala na humantong sa matinding pagtaas sa mga overpotential ng cell.
“Una sa lahat, inaasahan namin na ang aming artikulo ay makakatulong upang i-highlight hindi lamang ang mga hamon, kundi pati na rin ang pangako ng mga BPM, at dalhin sila sa unahan ng pananaliksik sa enerhiya,” sabi ni Surendranath. “Naipakita na ang forward bias BPM device sa maraming akademikong pag-aaral, lalo na bilang CO2 mga electrolyzer, ngunit kadalasan ay hindi nakikilala ang mga ito, at kaya napalampas ang mga pagkakataon para sa pag-unawa kung paano mas mahusay na i-optimize ang kahusayan ng enerhiya ng mga device na ito.”
Sa hinaharap, ang modelong ipinakilala ng pangkat ng mga mananaliksik na ito ay maaaring magbigay-alam sa pagbuo ng mga bagong diskarte upang madaig ang isyu ng mga ionic blockade sa mga BPM, na mahusay na nag-generalize sa lahat ng forward bias na BPM device. Umaasa si Surendranath at ang kanyang mga kasamahan na makakatulong ito upang higit na pinuhin ang mga BPM at pagbutihin ang pagganap ng mga electrolyzer, sa gayon ay mapadali ang kanilang malawakang pagpapatupad.
“Mayroon pa ring mga aspeto kung paano gumagana ang mga BPM na nananatiling hindi malinaw sa amin, patuloy kaming gumagawa ng mga hakbang sa aming pag-unawa,” dagdag ni Surendranath. “Sa partikular, kami ay interesado sa mga detalye ng molekular kung paano gumagana ang interface sa gitna ng BPM at umaasa na makapagdala ng bagong pananaw dito bilang mga inorganic na chemist.”
Karagdagang informasiyon:
Wei Lun Toh et al, Ang papel na ginagampanan ng mga ionic blockade sa pagkontrol sa kahusayan ng pagbawi ng enerhiya sa forward bias bipolar membranes, Enerhiya ng Kalikasan (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01404-7
© 2024 Science X Network