甲烷生产的电化学反应

在《华尔街日报》发表的一篇文章ACS能源字母,作者构造了一个电化学反应器来提高甲烷产量喂养3 m碳酸氢钾(KHCO₃)作为甲烷源。他们通过这种方法甲烷产量增加了36%。此外,添加阳离子表面活性剂(CTAB)阴极电解液提高甲烷的形成,增加整体的甲烷生产。

研究:电解生产甲烷从反应碳的解决方案。图片来源:Panchenko弗拉基米尔/ Shutterstock.com

背景

减少公司₂形成碳中和化学品和燃料有可能产生环保的可再生能源。甲烷产生更多的能量每摩尔的有限公司₂比其他公司₂派生产品,因此它是一个有吸引力的目标比其他化石燃料。然而,其电化学生产有限公司₂是具有挑战性的。甲烷产量报告日期限制在3%。

以前的文献显示有限公司₂——或者amine-based反应碳甲烷来源在电化学系统的解决方案。然而,这些系统涉及额外的步骤如热提取有限公司₂和净化产品。

铜(铜)最好是在酸性条件下促进甲烷生产。然而,阴极表面的pH值一般大于12由于哦⁻。虽然这碱度抑制不良的制氢(她的),它还会抑制质子甲烷生产所需的生产。

扫描电子显微镜图像的新鲜的铜泡沫(顶部)和蚀刻铜泡沫(底部)用来调解碳酸氢盐电解。图片来源:利兹,e . w . et al ., ACS能源信件

关于这项研究

在目前的研究中,作者设计和建造水KHCO转换的电化学反应器₃成甲烷。双极膜(BPM)出现在膜电极组装(MEA)提供质子多孔铜阴极在公司协助₂从KHCO原位代₃其次是其降低甲烷的解决方案。添加阳离子表面活性剂在负极电解液减少她。甲烷产量10倍高于先前的报道。

进一步,作者开发了一种一维(1 d)连续体模型来理解构建电化学反应器的工作机制。结果显示,减少电解液碱度有利于甲烷生产在multicarbon产品。

感应电流的效率(FE)和甲烷产量使用气相色谱法测定。质子核磁共振(1 h NMR)来量化有限公司₂还原反应(有限公司₂RR)产品和甲酸。

x射线衍射光谱的新鲜、蚀刻和有无CTAB post-electrolysis铜泡沫样品。图片来源:利兹,e . w . et al ., ACS能源信件

研究发现

分析了制造铜阴极使用扫描电子显微镜(SEM),和图像显示10μm的近似孔隙大小。

CTAB-assisted电化学反应中包含3 m KHCO碳酸氢盐电化学反应器₃解决方案在阴极流板和1 m氢氧化钾(KOH)在阳极流板使用的阴极电位和电流密度导致只有甲酸没有甲烷,表明质子(H⁺)供给反应碳甲烷形成的解决方案是至关重要的。这个最大局部电流密度电解产生的有限公司₂马RR产品11厘米⁻²。

此外,x射线衍射(XRD)研究铜电极显示铜的存在(200),铜(220)、铜(111)、和氧化铜(错)电解之前(002)方面。电解后用CTAB措(002)峰消失在XRD分析。然而,电解进行没有CTAB显示这个峰值,表明CTAB表面作用,减少错层在铜电极上。

界面形成甲烷催化剂层和流板之间的连接在pH值为8.5 8毫米CO的浓度₂表明一个薄的催化剂使快速质量输运的前提下甲烷形成率。此外,离子交联聚合物维护当地的pH值提高有限公司₂扩散和提高甲烷的形成率。因此,pH值维持在阴极少于12使甲烷产量率高。

绕过再生步骤(表现为纯有限公司₂碳酸氢生产)在电化学反应器导致更少的能源消耗比有限公司₂美联储电化学反应器减少CO₂成甲烷。同时,最小化未反应的CO₂导致高碳酸氢电化学反应器的甲烷产量。

碳酸氢碳单程转化率低的电化学反应器比有限公司₂美联储电化学反应器。减少是由于绕过下游甲烷净化成本。此外,甲烷形成碳酸氢盐电化学反应器中捕获来自有限公司₂使用可再生能源。

)原理图的碳酸氢盐电化学反应器细胞用于执行原位表面增强拉曼光谱。(b)原位拉曼光谱的阴极铜电解(红色)和没有(绿色)5毫米CTAB溶解在3 M KHCO₃。请注意,获得的光谱马在0厘米²持平的CTAB的电解液。相对应的拉曼特征频带振动模式的铜氧化物用虚线表示。图片来源:利兹,e . w . et al ., ACS能源信件

结论

甲烷通过电化有限公司生产₂反应堆包括净化有限公司₂天然气作为碳源。这个过程包括公司的热解吸₂对上游碳捕获,紧随其后的是下游产品的净化。

目前的工作报告新方法使用bicarbonate-based碳甲烷生产的解决方案。这是一个节能的选择有限公司₂美联储电化学甲烷生产。利用CTAB导致其吸附铜催化剂层在电解过程中,使甲烷生产的部分电流密度马120±10厘米⁻²。在这一过程中甲烷产量是34±7%。此外,结果从一维连续体模型在阴极室透露,H⁺从BPM中和哦⁻在阴极生成,导致减少碱度,因此优先产生甲烷。

源

利兹,e·W。刘,。,Bui, J. C.出版社。电解生产甲烷从反应碳的解决方案。ACS能源字母,71712 (2022)。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c00283。

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