Nature.com сайт руу ороһондотнай баяртай байнабди. Танай хэрэглэжэ байһан браузерай хубилалта CSS-эй дэмжэлгэ багатай. Эгээл һайн үрэ дүн абахын тулада браузерайнгаа шэнэ хубилалта хэрэглэхэеэ дурадханабди (гү, али Internet Explorer-да таараха горимые унтарааха хэрэгтэй). Гэхэ зуура, үргэлжэлһэн дэмжэлгые хангахын тулада бидэ сайтые стильгүйгөөр, JavaScriptгүйгөөр харуулнабди.
Нүүрһэнтүрэгшын диоксидые мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ болгон электрохимиин аргаар хубилгаха гээшэ нүүрһэнтүрэгшын диоксид хэрэглээе һайжаруулха найдабаритай арга болоод уһантүрэгшэ хадагалха оршон болгон хэрэглэхэ боломжотой. Энэ ажалда нүүрһэнтүрэгшын диоксидһоо мэрээшэнэй хүшэлые шууд электрохимиин синтез хэхэ тэг забһартай мембранна электрод суглуулха архитектурые зохёон бүтээгээ. Технологиин гол хүгжэлтэ хадаа нүхэлһэн катион солилсооной мембрана болоно, энэнь урагшаа шэглүүлһэн хоёр туйлай мембранай конфигурацида хэрэглэхэдээ, мембранай интерфейс дээрэ бии болоһон мэрээшэнэй хүшэлые 0.25 М хүрэтэр концентрацитайгаар анод урсаха талмайгаар нүүлгэхэ боломжо олгодог. ба түлишэ батарейнууд болон уһантүрэгшын электролиздэ ниитэлэгдэдэг түхеэрэлгэнүүд, энэнь үргэдхэл болон худалдаанда түргэн шэлжэхэ боломжо олгодог. см2 эстэ нүхэлһэн катион солилсооной мембранай конфигураци <2 В ба 300 мА/см2-да мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын >75% Фарадейн үрэ дүн үгэнэ. Үшөө шухалань гэхэдэ, 200 мА/см2-дэ 55 сагай тогтвортой байдалай туршалга тогтвортой Фарадейн үрэ дүнтэй байдал ба эсэй хүшэлтүрэгшэ харуулһан байна. Мүнөөнэй мэрээшэнэй хүшэлые үйлэдбэрилхэ аргануудтай үнэ сэнэй тэнсүүридэ хүрэхэ аргануудые харуулхын тулада техно-эдэй засагай шэнжэлэлые хэрэглэнэ.
Һэргээгдэхэ сахилгаан эршэм хүсэн хэрэглэн нүүрһэнтүрэгшын диоксидые мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ болгон электрохимиин аргаар бууруулжа, заншалта нүүрһэнтүрэгшын түлишэ дээрэ үндэһэлһэн аргануудтай харисуулхада үйлэдбэрилэлэй үнэ сэн 75%1 хүрэтэр багадхадаг гэжэ элирүүлэгдэһэн байна. Уран зохёолдо зааһанаар2,3, мэрээшэнэй хүшэлынь уһантүрэгшые хадагалха ба тээбэрилхэ үрэ дүнтэй ба хэмнэлттэй хэрэгсэлһээ эхилээд химиин үйлэдбэрилэлэй4,5 гү, али биомассын үйлэдбэрилэлэй түүхэй эд хүрэтэр үргэн хэрэглэлгэтэй. Мэрээшэнэй хүшэлые бодосой солилсооной инженери хэрэглэн, һүүлдэнь тогтвортой реактивна түлишэ болгон хубилгаха түүхэй эд гэжэ тодорхойлһон байна7,8. Мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын эдэй засагай хүгжэлэй үрэ дүндэ1,9 хэд хэдэн шэнжэлэлгын ажалнууд катализаторай шэлэн абаха шадабариие оностой болгоходо шэглүүлэгдэһэн байна10,11,12,13,14,15,16. Гэбэшье, олон оролдолгонууд бага гүйдэлэй нягта (<50 мА/см2)-да хүдэлдэг багахан Н-эсүүд гү, али шэнгэн гүйдэлэй эсүүдтэ анхаарал хандуулхаяа үргэлжэлүүлнэ. Үнэ сэнгые бага болгохын тулада, худалдаа наймаанда хүрэхэ ба удаадахи захатанай нэбтэрэлгые нэмэгдүүлхын тулада электрохимиин нүүрһэнтүрэгшын диоксидые багадхаха (CO2R) үндэр гүйдэлэй нягта (≥200 мА/см2) ба Фарадейн үрэ дүнтэй (FE)17-да хэгдэхэ ёһотой, тиихэдэ материалай хэрэглээе дээгүүр болгожо, технологиин түлишэ ба уһанай батарейн батарейн бүридүүлэгшэ хэһэгүүдые хэрэглэжэ, COR хэмжээнэй эдэй засагай аша туһа18. Нэмэжэ хэлэхэдэ, үйлэдбэрилэлэй ашаг үрые дээшэлүүлхын тулада ба нэмэлтэ болбосоруулалтаһаа зайлаха зорилгоор форматын дабһа бэшэ, харин эгээ һүүлшын бүтээгдэхүүн болгон мэрээшэнэй хүшэлые хэрэглэхэ хэрэгтэй19.
Энэ шэглэлээр һүүлшын үедэ үйлэдбэридэ хэрэгтэй CO2R формат/муранай хүшэлтүрэгшэ дээрэ һуурилһан хиин диффузионно электрод (GDE) түхеэрэлгэнүүдые зохёон бүтээхэ талаар оролдолгонууд хэгдэһэн байна. Фернандес-Касо болон бусадай 20-дохи дэлгэрэнгы тоймдо CO2-ые мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ/формат болотор үргэлжэ бууруулха бүхы электрохимиин эсэй тохиргоонуудые тобшолно. Юрэнхыдөө, бүхы бии байһан конфигурацинуудые гурбан гол бүлэгтэ хубаажа болоно: 1. Урдадаг католитууд19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Нэгэ мембрана (катион солилсооной мембрана (CEM)28 гү, али анион солилсооной мембрана (AEM)29 ба 3. Сандвичэй конфигураци, хялбаршуулһан, 3331,33. эдэ конфигурацинуудай огторгойн хэһэгүүдые 1а зураг дээрэ харуулаа. ГДЭ-гэй мембрана ба катодой хоорондо электролит камера байгуулагдана. Катализаторай катод дабхаргада ион каналнуудые бии болгохын тулада урсаха католитые хэрэглэнэ33, гэбэшье энэ конфигурациие Cheba et al. 1.27 мм зузаантай католитын дабхаргатай нүүрһэнтүрэгшын субстрат дээрэ SnO2 катод хэрэглэжэ, 500 мА/см2-да 90% хүрэтэр FE 35 олоһон байна. Зузаан католитын дабхарга ба урбуу шэглэлтэй биполяр мембрана (BPM) хослуулан, ион дамжуулалтые хизаарладаг ба V6 хүшэлтүрэгшын үрэ дүнтэй ажаллаха үрэ дүнтэй. 15%. Энергиин үрэ дүнтэй байдалые дээшэлүүлхын тулада Ли болон бусад нэгэ CEM тохиргоо хэрэглэн, 51.7 мА/см2 гүйдэлэй нягта нягтаар 93.3% FE 29 олоһон байна. илгаатай бүтээгдэхүүн, мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ бэшэ. Нэмэлтэ болбосоруулха эрилтэнүүдһээ гадна, CEM тохиргоонуудта KCOOH мэтэ форматнууд GDE болон урсаха талбарида түргэн сугларжа, тээбэриин хизаарлалта болон эсэй алдагдалые үүсхэнэ.
Энэ шэнжэлэлгын дурадхагдаһан гурбан CO2R-ые формат/форминай хүшэлые хубилгаха түхеэрэмжын конфигураци болон архитектурые зэргэсүүлгэ. b Уран зохёолдо (Нэмэлтэ таблица S1-дэ харуулагдана) ба манай ажалда католит конфигурацинууд, сэндвич конфигурацинууд, нэгэ CEM конфигурацинуудай ниитэ гүйдэл ба формат/форминай хүшэлтүрэгшын гаргалгын зэргэсүүлгэ. Нээмэл тэмдэгүүд форматын урасхал үйлэдбэрилэлые харуулна, харин хатуу тэмдэгүүд мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын үйлэдбэрилэлые харуулна. *Анод дээрэ уһантүрэгшэ хэрэглэн харуулһан тохиргоо. c Урагшаа хазагайруулха горимоор хүдэлдэг нүхэтэй катион солилсооной дабхаргатай ниилмэл хоёр туйлай мембрана хэрэглэн тэг забһартай MEA тохиргоо.
Формат бии болохоһоо һэргылхын тулада Пройетто м.н. 32-до деионизированна уһан хоорондын дабхаргаар урдадаг хубаагдаагүй шүүгшын прессэй тохиргоо хэрэглэбэ. Системэнь 50–80 мА/см2 гүйдэлэй нягта диапазондо >70% CE хүрэжэ шададаг. Үшөө тиихэдэ Ян м.н. 14-дэ мэрээшэнэй хүшэлые бии болгохын тулада CEM ба AEM хоорондохи хатуу электролит хоорондын дабхаргые хэрэглэхэ тухай дурадхаһан байна. Янг болон бусад 31,36 5 см2 эстэ 200 мА/см2-да 91.3% FE оложо, 6.35 массай% мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын урасхал гаргаба. Ся болон бусад Үүнтэй адли тохиргоо хэрэглэн, 200 мА/см2-дэ нүүрһэнтүрэгшын диоксид (CO2)-ые 83%-иин мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ FE-дэ хубилгаһан, системын бата бэхиие 100 час 30 минутын туршада туршаһан байна. Бага хэмжээнэй дүнгүүд найдамтайшье һаа, сүвэрхэг ион солилсооной давирхайнуудай үнэ сэн нэмэгдэжэ, орёо байдал дабхар хоорондын конфигурацинуудые томо системэдэ (жэшээнь, 1000 см2) хэмжэхэ бэрхэшээлтэй болгодог.
Ондоо загбарай сэбэр нүлөөе харуулхын тулада бидэ урид дурдагдаһан бүхы системэдэ нэгэ кВт/сагай формат/форминай хүшэлтүрэгшын үйлэдбэрилэлые таблицаар зуража, 1б зураг дээрэ зурабабди. Эндэ католит гү, али хоорондын дабхаргые агуулһан ямаршье системэ бага гүйдэлэй нягтада гүйсэдхэлэй орьёлдо хүрэжэ, үндэр гүйдэлэй нягтада доройтохо, эндэ омой хилэ эсэй хүшэлтүрэгшые тодорхойлжо магадгүй гэжэ эли. Үшөө тиихэдэ, эршэм хүсэнэй хэмнэлттэй CEM тохиргоо нэгэ кВт/сагай эгээн ехэ моляр мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын үйлэдбэрилэлые хангадагшье һаа, дабһанай сугларалга үндэр гүйдэлэй нягта байдалда гүйсэдхэлэй түргэн доройтолгодо хүргэхэ аргатай.
Урдань хэлсэгдэһэн алдалай горимуудые намдааха зорилгоор бидэ нүхэлһэн катион солилсооной мембранатай (PCEM) ниилмэл урагшаа шэглүүлһэн BPM-ые агуулһан мембранна электрод суглуулбари (MEA) зохёобобди. Архитектурань 1в зураг дээрэ харуулагдана. Уһантүрэгшэ (H2) анод руу оруулагдажа, уһантүрэгшын исэлдэлтын урбалаар (HOR) протонуудые бии болгодог. БПМ системэдэ PCEM дабхаргые нэбтэрүүлжэ, катод дээрэ бии болоһон форматын ионуудые AEM-ээр дамжуулан, протонуудтай ниилэжэ, BPM-эй интерфейс болон CEM-эй забһарай нүхэн дээрэ форминай хүшэлые бии болгожо, удаань GDE анод болон урдалай талмайгаар гарадаг. . Энэ тохиргоо хэрэглэн, бидэ 25 см2 эсэй талмайда <2 В ба 300 мА/см2-да мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын >75% FE олоһон байнабди. Хамагай шухалань гэхэдэ, энэ түлэб түлишын элемент болон уһанай электролизэй станцинуудта худалдаанда байдаг эд ангинуудые болон аппаратна архитектурые хэрэглэжэ, үргэдхэхэ сагые түргэн болгодог. Католит конфигурацинууд католит гүйдэлэй камерануудые агуулдаг, энэнь хии ба шэнгэн үеын хоорондохи даралтын тэнсүүригүй байдалые үүсхэжэ магадгүй, илангаяа томо эсэй конфигурацинуудта. Шэнгэн гүйдэлэй сүвэрхэг дабхартай сэндвич бүтэсэнүүдтэ даралтын уналтые болон дундахи дабхаргын дотор нүүрһэнтүрэгшын диоксидай хуримталалые бага болгохын тулада сүвэрхэг дундахи дабхаргые оностой болгохын тулада ехэ оролдолго гаргаха хэрэгтэй. Эдэ хоюулаа сотовой холбооной һандарал руу хүтэлхэ аргатай. Мүн ехэ хэмжээндэ сүлөөтэй нимгэн сүвэрхэг дабхаргые үйлэдбэрилхэнь хэсүү байдаг. Харин дурадхагдаһан шэнэ тохиргоо хадаа гүйдэлэй камера гү, али дунда дабхаргые агуулдаггүй тэг забһартай MEA тохиргоо юм. Бусад байгаа электрохимиин эсүүдтэй харисуулхада, дурадхагдаһан тохиргоо онсогой, юундэб гэхэдэ энэнь масштабтай, эршэм хүсэнэй хэмнэлттэй, тэг зайтай тохиргоодо мэрээшэнэй хүшэлые шууд синтезлэхэ боломжо олгодог.
Уһантүрэгшын хубилалтые дараха зорилгоор CO2-ые бага болгохо томо хэмжээнэй оролдолгонуудта MEA ба AEM мембранай конфигурацинуудые үндэр моляр концентрацитай электролитүүдтэй (жэшээнь, 1-10 М KOH) хослуулан катод дээрэ шүлтлэг байдал бии болгоһон байна (Зураг 2а-да харуулагдана). Эдэ тохиргоонуудта катод дээрэ бии болоһон форматын ионууд мембранаар сөрөг цэнэгтэй зүйлнүүдээр дамжан үнгэрдэг, удаань KCOOH бии боложо, анод KOH гүйдэлөөр системэһээ гарадаг. Хэдыгээр формат FE ба эсэй хүшэлтүрэгшэ анхандаа 2b зураг дээрэ харуулһандал һайн байгаашье һаа, тогтвортой байдалай туршалга оройдоол 10 саг соо FE-ые ойролсоогоор 30%-ээр бууруулжа шадаа (Зураг S1a–c). М KOH анолит хэрэглэхэнь шүлтлэг хүшэлтүрэгшын хубисхалай урбал (OER) системэдэ анод хүшэлтүрэгшые бага болгоходо шухала37 ба катод катализаторай орон дотор ионой хүртээмжэтэй болоходо шухала гэжэ тэмдэглэхэ хэрэгтэй33. Анолит концентраци 0.1 М KOH хүрэтэр бууруулхада, эсэй хүшэлтүрэгшэ ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтэ (мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын алдагдалга) хоюулаа нэмэгдэнэ (Зураг S1d), энэнь тэг суглуулбариин солилсоо харуулна. Формат исэлдэлтын хэмжээе ниитэ массын тэнсүүри хэрэглэн сэгнэһэн байна; дэлгэрэнгы мэдээсэлые “Арганууд” гэһэн хубиһаа харахат. MEA болон нэгэ CEM мембранай конфигурацинуудые хэрэглэн гүйсэдхэлгэ мүн лэ шэнжэлэгдэжэ, дүнгүүдынь S1f,g зураг дээрэ харуулагдана. Катодһоо суглуулһан FE формат туршалгын эхиндэ 200 мА/см2-дэ >60% байгаа, зүгөөр урид хэлсэгдэһэн катодой дабһанай хуримталалһаа боложо хоёр сагай дотор түргэн задарна (Зураг S11).
Катод дээрэ CO2R, анод дээрэ уһантүрэгшын исэлдэлтын урбал (HOR) гү, али OER, хоорондонь нэгэ AEM мембранатай тэг забһартай MEA-гай схема. b FE ба эсэй хүшэлтүрэгшэ энэ тохиргоодо 1 М KOH ба OER анод дээрэ урдажа байна. Алдуугай зурлаанууд гурбан ондо ондоо хэмжүүрэй стандарт хазагайралтые харуулна. FE-дэ ба анод дээрэ H2 ба HOR-тай системын эсэй хүшэлтүрэгшэ. Формат ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын үйлэдбэрилэлые илгахын тулада элдэб үнгэнүүдые хэрэглэдэг. d Дундань урагшаа шэлжэһэн BPM-тэй MEA-гай схемэтэ зураг. Энэ тохиргоо хэрэглэн 200 мА/см2-да FE ба батарейн хүшэлтүрэгшэ сагай харисуулан. f Богонихон туршалгын һүүлдэ урагшаа шэглэһэн BPM MEA-гай огторгойн зураг.
Мэрээшэнэй хүшэлые үйлэдбэрилхын тулада уһантүрэгшэ анод дээрэхи Pt-on-carbon (Pt/C) катализаторта үгтэнэ. 2d зураг дээрэ харуулһандал, анод дээрэ протонуудые бии болгодог урагшаа шэглэһэн BPM уридшалан шэнжэлэгдэжэ, мэрээшэнэй хүшэлые үйлэдбэрилһэн байна. BPM тааруулгын түхеэрэлгэ 200 мА/см2 гүйдэлтэй 40 минутын туршада хүдэлһэнэй удаа 5 В-һээ дээшэ хүшэлтүрэгшын нэмэгдэлтэй хамта алдагдажа үгы болоо (Зур. 2д). Туршалгын һүүлдэ CEM/AEM интерфейс дээрэ эли тодо илгарал ажаглагдаа. Форматһаа гадна, карбонат, бикарбонат ба гидроксид гэхэ мэтэ анионууд AEM мембранаар дамжан CEM/AEM интерфейс дээрэ протонуудтай харилсан үйлэшэлжэ CO2 хии ба шэнгэн уһа бии болгожо, BPM-эй дэламинацида хүргэдэг (Зураг 2f) ба эгээ һүүлдэ эсэй алдагдалда хүргэдэг.
Дээрэхи тохиргооной гүйсэдхэл ба алдагдаха механизмууд дээрэ үндэһэлэн, 1в зураг дээрэ харуулһан, 3а38 зураг дээрэ дэлгэрэнгыгээр харуулһан шэнэ MEA архитектура дурадхагдана. Эндэ PCEM дабхаргынь CEM/AEM интерфейсһээ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ ба анионуудай нүүдэлэй замые үгэжэ, тиигэжэ бодосой хуримталалые багадхадаг. Гэхэтэй хамта, PCEM забһарай зам мэрээшэнэй хүшэлые диффузионно оршон болон урдалай талмай руу шэглүүлжэ, мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтын магадлалые багадхадаг. 80, 40 ба 25 мм зузаантай АЭМ-үүдые хэрэглэн поляризациин дүнгүүдые 3б зураг дээрэ харуулаа. Хүлээлгын ёһоор, ниитэ эсэй хүшэлтүрэгшэ AEM-эй зузаан нэмэгдэхэдэ нэмэгдэдэгшье һаа, бүдүүн AEM хэрэглэхэдэ мэрээшэнэй хүшэлые һөөргэнь тархахаһаа сэргийлнэ, тиигэжэ катодой рН-ые нэмэгдүүлжэ, H2-эй үйлэдбэрилэлые бууруулна (Зураг 3c–e).
a AEM ба нүхэлһэн CEM ба ондо ондоо мэрээшэнэй хүшэлые дамжуулха замуудтай MEA бүтэсэ зураглал. b Ондоо гүйдэлэй нягта ба ондо ондоо AEM зузаантай эсэй хүшэлтүрэгшэ. EE-дэ 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm AEM зузаантай элдэб гүйдэлэй нягтада. Алдуугай зурлаанууд гурбан тусгаар дээжэһээ хэмжэгдэһэн стандарт хазагайралтые харуулна. f Ондоо AEM зузаантай CEM/AEM интерфейс дээрэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци ба рН-эй сэнгэй моделированиин дүнгүүд. f PC ба pH катализаторай катод дабхаргада ондо ондоо AEM плёнкын зузаантай. g CEM/AEM интерфейстэй ба нүхэлтэтэй мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентрациин хоёр хэмжээнэй хубаари.
S2 зураг дээрэ Пуассон-Нернст-Планкын хизаарлагдамал элементнүүдэй загбарые хэрэглэн, МЭА-гай зузаанаар мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци ба рН-эй хубаариие харуулаа. CEM/AEM интерфейс дээрэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын эгээн ехэ концентраци 0.23 моль/л ажаглагдаһаниинь гайхалгүй, юундэб гэхэдэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ энэ интерфейс дээрэ бии болодог. АЭМ-эй зузаан нэмэгдэхэдэ АЭМ-ээр дамжан мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци хурдан буурдаг, энэнь массын дамжуулгада ехэ эсэргүүсэлтэй, хойто тархалтаһаа боложо мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын гүйдэл бага байдагые харуулна. f ба g зурагууд дээрэ катод катализаторай оройдохи рН ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын хэмжээнүүдые тус тусдаа нюрганай диффузиин ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентрациин хоёр хэмжээнэй хубаариһаа боложо харуулаа. АЭМ мембрана нимгэн байхада катодой ойролсоо мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци ехэ боложо, катодой рН хүшэлтүрэгшэ болодог. Тиимэһээ, бүдүүн AEM мембранууд үндэр омой алдагдалтай болодогшье һаа, тэдэ мэрээшэнэй хүшэлые катод руу һөөргэнь тархахаһаа сэргийлхэ ба FE мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын системын үндэр арюун сэбэрые дээдын хэмжээндэ хүргэхэ шухала үүргэтэй. Һүүлдэнь, AEM-эй зузааниие 80 мкм хүрэтэр нэмэгдүүлхэдэ, <2 В-да мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын FE >75% ба 25 см2 эсэй талмайда 300 мА/см2 болоһон байна.
Энэ PECM-дэ үндэһэлһэн архитектурын тогтвортой байдалые туршахын тулада батарейн гүйдэлые 200 мА/см2 55 часай туршада байлгаба. Ниитэ дүнгүүдые 4-дэхи зураг дээрэ харуулаа, түрүүшын 3 сагай дүнгүүдые S3-дахи зураг дээрэ онсолон харуулаа. Pt/C анод катализатор хэрэглэхэдээ, эсэй хүшэлтүрэгшэ түрүүшын 30 мин соо огсом нэмэгдэбэ (Зураг S3a). Удаан хугасаанай туршада эсэй хүшэлтүрэгшэ бараг тогтомол байжа, 0.6 мВ/сагай задаралые хангадаг (Зураг 4а). Туршалгын эхиндэ анод дээрэ суглуулагдаһан мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын PV 76.5%, катод дээрэ суглуулагдаһан уһантүрэгшын PV 19.2% байгаа. Туршалгын түрүүшын сагай һүүлдэ уһантүрэгшын FE 13.8% хүрэтэр буурһаниинь формат шэлэн абаха шадабари һайжарһаниие харуулна. Гэбэшье, системэдэхи мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтын хурдадхал 1 часай дотор 62.7% хүрэтэр буурһан, анод мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтын хурдадхал туршалгын эхиндэ бараг тэг байһанһаа 17.0% хүрэтэр нэмэгдэһэн байна. Удаань туршалгын үедэ H2, CO, мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын FE ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын анод исэлдэлтын хурдадхал тогтууритай байгаа. Түрүүшын часай туршада мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтын нэмэгдэл PCEM/AEM интерфейс дээрэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын хуримталалһаа боложо магадгүй. Мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци нэмэгдэхэдэ, тэрэ ганса мембранай нүхэлгээр гараха бэшэ, харин FEM-ээр өөрөө тархажа, Pt/C анод дабхаргада ородог. Мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ 60°C-та шэнгэн тула тэрэнэй хуримталал масса дамжуулха асуудал үүсхэжэ, уһантүрэгшэһээ илгаатай исэлдэлтэ үүсхэнэ.
a Эсэй хүшэлтүрэгшэ ба саг (200 мА/см2, 60 °C). Нүхэлһэн ЭМ-тэй МЭА-гай огторгойн огторгойн оптикын микроскопой дүрсэ харуулна. Хэмжээнэй зурлаа: 300 мкм. b Pt/C анод хэрэглэн 200 мА/см2-да PE ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын арюун сэбэр байдал.
Бэлэдхэлэй үедэ туршалгын эхиндэ (BOT) ба 55 саг тогтосотой туршалгын һүүлдэ туршалгын эсэстэ (EOT) дээжэнүүдэй морфологиие нано-рентген компьютерна томографи (нано-КТ) хэрэглэн тодорхойлһон байна, энэнь 5 а зураг дээрэ харуулагдана. EOT дээжэнь BOT-до 930 нм-тэй харисуулхада 1207 нм диаметртэй катализаторай хэһэгүүдэй томо хэмжээтэй. Үндэр углуутай дүхэриг харанхы талбайн сканерэй дамжуулгын электрон микроскопиин (HAADF-STEM) зурагууд ба энергиин тархалтатай рентген спектроскопиин (EDS) дүнгүүдые 5б зураг дээрэ харуулаа. BOT катализаторай дабхарга ехэнхидээ бага катализаторай хэһэгүүдые болон зарим томо агломератуудые агуулдаг болобошье, EOT шатада катализаторай дабхаргые хоёр илгаатай бүһэдэ хубаажа болоно: нэгэниинь нилээд томо хатуу хэһэгүүдтэй, нүгөөдэнь үлүү сүвэрхэг бүһэтэй. Бага хэһэгүүдэй тоо. EDS зураг дээрэ томо хатуу хэһэгүүд Bi-ээр баян, магадгүй металл Bi-ээр баян, сүвэрхэг бүһэ нютагууд хүшэлтүрэгшээр баян байдаг. Эсые 200 мА/см2-ээр хүдэлгэхэдөө, катодой сүлөөтэ потенциал Bi2O3-ые багадхаха, энэнь дооро хэлэгдэһэн in situ рентген шэнгээхэ спектроскопиин дүнгүүдээр гэршэлэгдэнэ. HAADF-STEM ба EDS карта зураглалгын дүнгүүд Bi2O3 һэргээлгын үйлэ ябасые дабажа, хүшэлтүрэгшэ алдажа, томо түмэрлиг хэһэгүүд боложо суглардаг гэжэ харуулна. BOT ба EOT катодуудай рентген дифракциин хэбүүд EDS мэдээсэлэй тайлбариие батална (Зураг 5в): BOT катод соо гансал кристалл Bi2O3 элирүүлэгдэһэн, харин EOT катод соо кристалл биметалл олдоһон байна. Bi2O3 катод катализаторай исэлдэлтын байдалда катодой потенциал нүлөөе ойлгохын тулада температура нээлтэтэ хэлхеэ холбооной потенциалһаа (+0.3 V vs RHE) -1.5 V (vs RHE) хүрэтэр хубилагдаһан байна. Bi2O3 үе RHE-тэй харисуулхада -0.85 V-дэ багадхажа эхилдэг гэжэ ажаглагдана, спектрын захын бүһэдэ сагаан зурлаанай эршэм хүсэнэй бууралга металл Bi -1.1-дэ RHE-эй 90% хүрэтэр багадхадаг гэжэ харуулна. V RHE-тэй харисуулан (Зур. 5d). Механизмһаа дулдыдангүй, катодой морфологи, катализаторай исэлдэлтын байдал, микрокристалл бүтэсэ ехэ хубилһаншье һаа, H2 ба CO FE болон мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын бии бололгоһоо элирһэнээр, катод дээрэхи форматын ниитэ шэлэн абаха шадабари үндэһэндээ хубилдаггүй.
Нано-рентген КТ-ээр абаһан катализаторай дабхаргын гурбан хэмжээнэй бүтэсэ ба катализаторай хэһэгүүдэй хубаари. Хэмжээнэй зурлаа: 10 мкм. b Дээдэ 2: BOT ба EOT катализаторнуудай катод дабхаргын HAADF-STEM зурагууд. Хэмжээнэй зурлаа: 1 мкм. Доодо 2: EOT катализаторай катод дабхаргын томо болгоһон HADF-STEM ба EDX зурагууд. Хэмжээнэй зурлаа: 100 нм. c BOT ба EOT катодой дээжэнүүдэй рентген дифракциин хэбүүд. d 0.1 М KOH-да Bi2O3 электродай in situ рентген шэнгээхэ спектрнүүд потенциалһаа дулдыдаха (0.8 V-һээ -1.5 V хүрэтэр RHE-тэй харисуулхада).
Хүшэлтүрэгшын исэлдэлтые даража эршэм хүсэнэй үрэ ашагые дээшэлүүлхэ ямар арга боломжонууд бииб гэжэ тодорхойлохын тулада хүшэлтүрэгшын алдагдаха хуби нэмэриие элирүүлхын тулада H2 һургаалта электрод хэрэглэгдээ39. 500 мА/см2-һоо бага гүйдэлэй нягта байхада катодой потенциал -1.25 В-һээ доошоо үлэнэ. Анод потенциал хоёр гол хэһэгтэ хубаагдана: солилсооной гүйдэлэй нягта HOR ба урид хэмжэгдэһэн Бултер-Вольмерэй тэгшэлгэгээр уридшалан хэлэгдэһэн онол хүшэлтүрэгшын HOR 40, үлэһэн хубинь хүшэлтүрэгшын хүшэлтүрэгшын шалтагаан болоно. HOR41-тэй харисуулхада урбалын кинетикын удаан байһанһаа боложо, анод дээрэхи мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтын урбалын бага хурдадхал анодын потенциалые ехээр нэмэгдүүлжэ магадгүй. Дүн гаргалгын ёһоор, мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын анод исэлдэлтые бүрин даралга 500 мВ шахуу үлүү хүшэлтүрэгшые усадхаха аргатай.
Энэ тоосоое туршахын тулада анодой орохо газарта деионизированна уһанай (DI) гүйдэлэй хурдые өөршэлжэ, гадагшалаһан мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци багадхаһан байна. 6б ба в зурагууд дээрэ 200 мА/см2 анод дээрэхи DI гүйдэлэй функциин ёһоор FE, мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци, эсэй хүшэлтүрэгшэ харуулагдана. Деионизированна уһанай урдалай хурдадхал 3.3 мл/мин-һээ 25 мл/мин хүрэтэр нэмэгдэхэдэ, анод дээрэхи мэрээшэнэй хүшэлынь 0.27 моль/л-һээ 0.08 моль/л хүрэтэр буурһан байна. Харисуулхада, Ся болон бусадай дурадхаһан сэндвич бүтэсэ хэрэглэжэ. 30 200 мА/см2-да 1.8 моль/л мэрээшэнэй хүшэлые абаһан байна. Концентрациие багадхахада мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын ниитэ FE һайжардаг ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын һөөргэ тархалта буурһанһаа боложо катодой рН үлүү шүлтлэг болоходо H2-эй FE багадхадаг. Эгээн ехэ DI гүйдэлэй үедэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентраци багадхаһаниинь мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтые бараг усадхаһанаар 200 мА/см2-дэ 1.7 В-һаа бага ниитэ эсэй хүшэлтүрэгшэ болоһон байна. Батарейн температура ниитэ хүдэлмэридэ нүлөөлдэг ба дүнгүүдынь S10 зураг дээрэ харуулагдана. Гэбэшье, PCEM-дэ һуурилһан архитектуранууд мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтые дараха эршэм хүсэнэй үрэ ашагые мэдэгдэхэүйсэ дээшэлүүлжэ шадаха, энэнь мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын уһантүрэгшын шэлэн абаха шадабариие һайжаруулһан анод катализаторнуудые хэрэглэхэ гү, али түхеэрэмжын ажаллалгын ашаар болоно.
a 60 °C-та хүдэлдэг эсэй һургаалта H2 электрод, Pt/C анод ба 80 μm AEM хэрэглэн эсэй хүшэлтүрэгшын задарал. b FE ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын концентрацинуудые 200 мА/см2-ээр анод деионизированна уһанай ондо ондоо гүйдэлэй хурдые хэрэглэн суглуулаа. c Анод элдэб концентрацитай мэрээшэнэй хүшэлые суглуулхадаа, эсэй хүшэлтүрэгшэ 200 мА/см2 болоно. Алдуугай зурлаанууд гурбан ондо ондоо хэмжүүрэй стандарт хазагайралтые харуулна. d Үндэһэтэнэй үйлэдбэриин дунда зэргын сахилгаан эршэм хүсэнэй үнэ 0.068 доллар/кВт/саг ба 4.5 доллар/кг уһантүрэгшэ хэрэглэн элдэб деионизированна уһанай урдалай хурдаар гүйсэдхэлээр хубаагдаһан худалдаанай эгээн бага үнэ. (*: Анод дээрэхи мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын эгээн бага исэлдэлтын байдал 10 М FA гэжэ тоосогдодог, уласай дунда зэргын үйлэдбэриин сахилгаан сэн $0.068/кВт/сагай, уһантүрэгшэ $4.5/кг. **: Эгээн бага исэлдэлтын байдал мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ гэжэ тоосогдодог. Анод дээрэхи ФА-гай концентраци 13 М, ерээдүйдэ хүлеэгдэһэн сахилгаан сэн. $0.03/kWh, ба точкотой зурлаа 85 wt% FA-гай заха зээлэй сэн харуулна.
5d зураг дээрэ харуулһандал, элдэб янзын ажалай нөхцөл байдалда түлишэ суглуулбариин эгээн бага худалдаанай сэн абахын тулада техно-эдэй засагай шэнжэлэл (TEA) хэгдэһэн байна. TEA-гай аргануудые ба үндэһэн мэдээсэлые SI-һээ олохо аргатай. Анодой гадагшалалай LC концентраци ехэ байхада, үндэр эсэй хүшэлтүрэгшэтэйшье һаа, тусгаарлалгын үнэ сэн буурһанһаа боложо түлишэ суглуулбариин ниитэ үнэ сэн багадхадаг. Хэрбээ катализатор хүгжөөлгэ гү, али электрод технологиин ашаар мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын анод исэлдэлгые бага болгожо шадабал, бага эсэй хүшэлтүрэгшэ (1.66 В) ба уһанда FA-гай ехэ концентраци (10 М) хослуулан хэрэглэхэдэ, электрохимиин FA үйлэдбэрилэлэй үнэ сэн 0.74 америкын доллар/кг (сахилгаан дээрэ үндэһэлжэ) хүрэтэр буураха һэн. үнэ) $0.068/кВтч ба $4.5/кг уһантүрэгшэ42. Үшөө тиихэдэ, шэнэлэгдэдэг сахилгаан эршэм хүсэнэй ерээдүйдэ 0.03 доллар/кВт/кг ба уһантүрэгшын 2.3 доллар/кг үнэтэй ниилүүлбэл, FA-гай бохир уһанай зорилго 1.3 сая болотор доошолуулагдажа, һүүлшын түсэблэгдэһэн үйлэдбэрилэлэй үнэ 0.66 доллар/кг43 болоно. Энэнь мүнөөнэй заха зээлэй сэнтэй зэргэсүүлэгдэнэ. Тиимэһээ электродой материал болон бүтэсэ дээрэ шэглүүлһэн ерээдүйн оролдолгонууд анодизациие улам багадхажа, бага эсэй хүшэлтүрэгшэдэ ажаллажа, үндэр LC концентраци гаргаха боломжо олгоно.
Дүн гаргахада, бидэ CO2-ые мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ болгохын тулада хэд хэдэн тэг-забһартай MEA бүтэсэ шэнжэлжэ, үүсэһэн мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын мембранай масса дамжуулха интерфейсые хялбаршуулхын тулада нүхэлһэн катион солилсооной мембрана (PECM) багтааһан ниилмэл урагшаа шэглүүлһэн биполяр мембрана агуулһан бүтэсэ дурадхаһан байнабди. . Энэ тохиргоо 0.25 М хүрэтэр концентрацида (3.3 мл/мин анод DI гүйдэлэй хурдаар) >96% мэрээшэнэй хүшэлые бии болгодог. DI гүйдэлэй үндэр хурдаар (25 мл/мин) энэ тохиргоо 25 см2 эсэй талмайе хэрэглэн 1.7 В-да 200 мА/см2 >80% FE гүйдэлэй нягта үгэбэ. Дунда зэргын анод DI хурдаар (10 мл/мин) PECM тохиргоо 200 мА/см2-да 55 саг туршалгын туршада тогтууритай хүшэлтүрэгшэ ба үндэр мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын FE хэмжээе хадгалһан байна. Худалдаанай катализаторнууд болон полимер мембран материалнуудай үндэр тогтвортой байдал ба шэлэн абаха шадабариие оностой болгоһон электрокатализаторнуудтай холбожо улам дээшэлүүлжэ болоно. Удаадахи ажалынь ажаллаха байдалые, анод катализаторай шэлэн абалгын шадабариие, MEA бүтэсые тааруулха, тиигэжэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтые бага болгохо, энэнь бага эсэй хүшэлтүрэгшэдэ илүү концентрацитай гаргалгын үрэ дүндэ хүргэхэ. Эндэ дурадхагдаһан мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэдэ нүүрһэнтүрэгшын диоксид хэрэглэхэ энгын аргань анолит ба католит камеранууд, сэндвич компонентнүүд болон тусхай материалнуудай хэрэгсэлые усадхадаг, тиигэжэ эсэй энергиин үрэ ашагые дээшэлүүлжэ, системын орёо байдалые багадхажа, үргэдхэхэ хялбар болгодог. Дурадхагдаһан тохиргоо ерээдүйдэ техникын болон эдэй засагай талаар аша үрэтэй CO2 хубилгадаг үйлэдбэринүүдые хүгжөөхэ платформа болоно.
Хэрбээ ондоо тэмдэглэгдээгүй һаа, бүхы химиин сортын материалнууд болон уһалдаг бодосуудые абаһан ёһоороо хэрэглэбэ. Висмут оксидэй катализатор (Bi2O3, 80 нм) US Research Nanomaterials, Inc компаниһаа худалдажа абаһан байна. Полимер порошок (AP1-CNN8-00-X) IONOMR компаниһаа үгтэһэн байна. Omnisolv® брендэй N-пропанол (nPA) ба ультра сэбэр уһан (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 уһа сэбэрлэлгын системэ) Millipore Sigma компаниһаа худалдажа абаһан байна. ACS гэршэлһэн метанол ба ацетон тус тусдаа VWR Chemicals BDH® ба Fisher Chemical компанинуудһаа худалдажа абтадаг. Полимерэй нунтагые 1:1 шэгнүүрэй харисаагаар ацетон ба метанол холисотой холижо 6.5 массай% концентрацитай полимерэй дисперси абаһан байна. мл-эй амһарта соо 20г Bi2O3, ультра сэбэр уһан, nPA ба иономерэй дисперси холижо каталитик бэхэ бэлдэхэ. Энэ бүридэлдэ 30 массай % катализатор, иономер ба катализаторай массай харисаа 0.02, спирт ба уһанай массай харисаа 2:3 (40 массай % нПА) байгаа. Холихынгоо урда тээ 70г Глен Миллс 5мм цирконий нунтаглаха материал холисо дээрэ нэмэгдэбэ. Дээжые 26 часай туршада 80 эргэлтэтэйгээр FisherbrandTM дижитал лонхын ролик дээрэ табиһан байна. Бэхэеэ 20 минутын туршада түрхихэһээ урид байлгаха хэрэгтэй. Bi2O3 бэхэ 22°C-та 1/2′′ x 16′′ лабораториин утаһаар дүүргэгшэ (RD Specialties – 60 миль диаметр) хэрэглэн Qualtech автомат аппликатор (QPI-AFA6800) дээрэ түрхэгдэһэн байна. 5 мл каталитик бэхэ 7.5 x 8 дюймын Sigraacet 39 BB нүүрһэнтүрэгшын хиин диффузионно зөөгшэдэ (түлишэ батарейн хадагалха) 55 мм/сек тогтомол дунда зэргын хурдаар шүдэрөөр табигдаһан байна. Эдэ бүрхөөлтэй электродуудые пеэшэндэ оруулаад 80 °C-та хатааха. GDE бүрхөөлэй шүдэнэй бүрхөөлэй үйлэ ябаса ба зурагууд S4a ба b зурагууд дээрэ харуулагдана. Рентген флюоресценциин (XRF) хэрэгсэл (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) бүрхөөлтэй GDE ашаглалга 3.0 мг Bi2O3/см2 байгаа гэжэ баталаа.
Анион солилсооной мембрана (AEM) ба нүхэтэй CEM агуулһан ниилмэл мембранай конфигурацинуудта. CEM дабхарга болгон 15 мкм нэрлэмэл зузаантай Nafion NC700 (Chemours, USA) хэрэглэгдээ. Анод катализаторые 0.83 иономер ба нүүрһэнтүрэгшын харисаагаар ба 25 см2 хушалтатайгаар FEM дээрэ шууд шүршэбэ. Анод катализатор болгон 0.25 мг Pt/cm2 ашаглалгатай ехэ гадаргуугай талмайтай (50 мас.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA үнэтэ металл) тулгуурилһан платина хэрэглэбэ. Nafion D2020 (Ion Power, USA) катализаторай анод дабхаргын иономер болгон хэрэглэгдээ. CEM нүхэлгэ 3 мм зайтайгаар CEM плёнко дээрэ зэргэсүүлһэн шугамуудые тайража хэгдэдэг. Нүхэлгын үйлэ ябаса тухай дэлгэрэнгы мэдээсэл S12b ба c зурагууд дээрэ харуулагдана. Рентген компьютерна томографи хэрэглэн, нүхэлгын зай 32.6 мкм гэжэ баталагдаа, энэнь S12d ба e зураг дээрэ харуулагдана. Эсэй суглуулбариин үедэ катализатораар бүрхөөгдэһэн нүхэтэй CEM мембрана 25 см2 Toray саарһан дээрэ (5 wt% PTFE эмшэлһэн, Fuel Cell Store, USA) табигдаһан байна. CEM-эй орой дээрэ, удаань GDE катод дээрэ 25, 40 гү, али 80 мкм зузаантай AEM мембрана (PiperION, Versogen, USA) табигдаһан байна. AEM мембраные 7.5 × 7.5 см хэмжээтэй хэһэгүүдээр хубаажа, бүхы урдалай талмайе хушаад, суглуулхаһаа урид 1 М калиин гидроксидэй урасхал соо һүниин туршада дэбтээбэ. Анод ба катод хоюулаа 18%-иин оностой GDE шахалтада хүрэхэ зузаантай PTFE зайлагшадые хэрэглэдэг. Батарей суглуулха үйлэ ябаса тухай дэлгэрэнгы мэдээсэл S12a зураг дээрэ харуулагдана.
Туршалгын үедэ суглуулагдаһан эсые 60 °C (температураһаа дулдыдаха шэнжэлэлнүүдтэ 30, 60, 80 °C) температурада 0.8 л/мин уһантүрэгшын хии анодто, 2 л/мин нүүрһэнтүрэгшын диоксид катодто оруулһанаар байлгаба. Анод ба катод агаарай гүйдэл хоюулаа 100% харисангы чийгшэлтэй ба 259 кПа абсолютна катод даралтада чийгшүүлһэн байна. Ажаллаха үедэ катодой хиин гүйдэлые 1 М KOH урасхалтай 2 мл/мин хурдаар холижо, катодой катализаторай орой болон ион дамжуулалтые дэмжэнэ. Анод дээрэхи мэрээшэнэй хүшэлые зайлахын тулада 10 мл/мин хурдаар деионизированна уһантай анод хиин гүйдэлые холихо. Түхеэрэмжын орохо ба гараха дэлгэрэнгыень S5 зураг дээрэ харуулаа. Катодай гадагшалаһан хии CO2 агуулдаг ба CO ба H2 бии болгодог. Уһанай уурые конденсатораар (2°C-та бага температуратай дулаан солилсоогшо) зайлуулдаг. Үлэһэн хии хиин саг хугасаанай шэнжэлэл хэхэдээ суглуулагдаха. Анодой гүйдэл шэнгэниие хииһээ илгаруулхын тулада конденсатораар дамжан үнгэрхэ. Бохир уһа сэбэр амһартанууд соо суглуулагдажа, шэнгэн хронометриин аргаар шэнжэлэгдэжэ, үйлэдбэрилэгдэһэн мэрээшэнэй хүшэлые тодорхойлхо. Электрохимиин туршалгануудые Гармиин потенциостат (30K дугаар, Гамри, АНУ) хэрэглэн үнгэргэһэн байна. Поляризациин мурые хэмжэхэһээ урид эсые 0-һоо 250 мА/см2 хүрэтэр диапазондо 2.5 мА/см2 сканерэй хурдаар шугаман вольтамметри хэрэглэн 4 дахин кондиционировалһан байна. Катод хии ба анолит шэнгэн дээжэ абахын урда тээ эсые 4 минутын туршада тодорхой гүйдэлэй нягтада байлгажа, гальваностатик горимоор поляризациин мурые абаһан байна.
Катод ба анод потенциалнуудые илгаруулхын тулада бидэ МЭА-да уһантүрэгшын һургаалта электрод хэрэглэнэбди. Эталон электродай бүтэсэ S6a зураг дээрэ харуулагдана. MEA мембрана ба һургаалта электродые холбохын тулада ион хүүргэ болгон Nafion мембрана (Nafion 211, IonPower, USA) хэрэглэбэ. Нафионой зурлаанай нэгэ үзүүрынь 1 см2 хиин диффузионно электрод (GDE)-тай холбогдоһон, тэрээн дээрэ 0.25 мг Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) 29BC нүүрһэнтүрэгшын саарһан дээрэ (Fuel Cell Store, USA) шүрбэһэн байгаа. ). Тусхай полиэфирэфиркетон (PEEK) түхеэрэмжэ GDE ба Nafion зурууд хоорондын хиигээр нягталха ба һайн холбоо тогтоохо, түлишэ батарейн түхеэрэлгэтэй һургаалта электродые холбохо хэрэгсэл болоно. Нафион зурлаанай нүгөө үзүүрынь CEM батарейн гаржа байһан захада холбогдоһон байна. S6b зураг дээрэ MEA-тай нэгэдэһэн стандарт электродай огторгойн зурлаа харуулагдана.
Хүдэлөөнэй хии конденсатор болон хии-шэнгэн тусгаарлагшаар дамжан үнгэрһэн хойно катодһоо хиин дээжэ абтадаг. Суглуулһан хиие 4900 Micro GC (10 μm молекулярна шүүһэн, Agilent) хэрэглэн дор хаяжа гурба дахин шэнжэлһэн байна. Дээжые тодорхой хугасаагаар (30 секундын туршада) инертнэ олон дабхар алюминиин фольгын хиин дээжын уута SupelTM (Sigma-Aldrich) соо суглуулжа, суглуулһанһаа хойшо хоёр сагай туршада микрогаз хроматографта гараар оруулһан байна. Тарилгын температура 110°C гэжэ табигдаһан байна. Нүүрһэнтүрэгшын монооксид (CO) ба уһантүрэгшэ (H2) халаагдаһан (105 °C) даралтатай (28 psi) 10 м MS5A колонко дээрэ аргон (Matheson Gas-Matheson Purity) зөөгшэ хии болгон хэрэглэн тусгаарлагдаһан байна. Эдэ холбоонуудые дулаасуулгын дамжуулгын илгаруулагша (TCD) хэрэглэн элирүүлдэг. GC хроматограмманууд ба CO ба H2 калибровкын мурые S7 зураг дээрэ харуулаа. Шэнгэн мэрээшэнэй хүшэлые тодорхой хугасаагаар (120 секундын туршада) анодһоо абажа, 0.22 мкм PTFE шприцэй шүүгшэ хэрэглэн 2 мл-эй флакон соо шүүһэн байна. Флакон соохи шэнгэн бүтээгдэхүүниие Agilent 1260 Infinity II биоинертнэ үндэр гүйсэдхэлтэй шэнгэн хроматографиин (HPLC) системэ хэрэглэн шэнжэлһэн, энэ системэдэ 20 мкл дээжые 4 мМ хүхэрэй хүшэлтүрэгшын (H2SO4) хүдэлөөнтэй фазатай автопробирка (G5668A) дамжуулан таряа. ) 0.6 мл/мин гүйдэлэй хурдаар (дүрбэдэхи сорго G5654A). Бүтээгдэхүүн халаагдаһан (35°C, колонкын пеэшэн G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7.8 мм (Bio-Rad) дээрэ Micro-Guard Cation H хамгаалалтын колонкоор илгаруулагдаһан байна. Диод массивай илгаруулагша (DAD) хэрэглэн мэрээшэнэй хүшэлые элирүүлһэн байна. 210 нм долгиной ута ба 4 нм зурбасын үргэнтэй. HPL хроматограмма ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын стандарт шалгалта мурые S7 зураг дээрэ харуулаа.
Хиин бүтээгдэхүүн (CO ба H2) FE иимэ тэгшэлгэ хэрэглэн тоосогдодог ба хиин ниитэ мольнуудые идеальна хиин тэгшэлгэ хэрэглэн тоосоно:
Тэдэнэй дунда: \({n}_{i}\): электрохимиин урбал соохи электронуудай тоо. \(F\): Фарадейн тогтомол. \({C}_{i}\): ВЭЖХ шэнгэн бүтээгдэхүүнэй концентраци. \(V\): тогтомол хугасаа t соо суглуулагдаһан шэнгэн дээжын эзэлхүүн. \(j\): гүйдэлэй нягта. \(A\): Электродой геометрическэ талмай (25 см2). \(t\): дээжэ абаха саг. \(P\): абсолютна даралтань. \({x}_{i}\): GC-ээр тодорхойлогдоһон хиин моль хуби. \(R\): хиин тогтомол. \(T\): температура.
Анод катионуудай концентрациие индуктивна холбоотой плазмын атомой ялгаралгын спектроскопи (ICP-OES) хэрэглэн тодорхойлһон байна. Анод руу нэбтэржэ гү, али тархажа болохо катионуудта Ti, Pt, Bi ба K ороно. K-һээ бусад бүхы катионууд илгаруулха хилэһээ доошоо байгаа. Уһанда ионуудые бии болгожо, анодые протон гү, али бусад катионуудтай хослуулан орхино. Тиимэһээ мэрээшэнэй хүшэлые арюун сэбэрые иимэ аргаар тоосож болоно
Формат/FA үйлэдбэрилэл хадаа тодорхой MEA тохиргоо хэрэглэн хэрэглэһэн сахилгаан эршэм хүсэнэй нэгэ кВт/сагта үйлэдбэрилэгдэһэн FA-гай хэмжээе моль/кВт/сагай хэмжүүрээр харуулна. Энэнь тусхай ажалай нөхцөлд гүйдэлэй нягта, эсэй хүшэлтүрэгшэ ба Фарадейн үрэ дүн дээрэ үндэһэлжэ тоосогдодог.
Ниитэ массын тэнсүүри дээрэ үндэһэлэн анод дээрэ исэлдэһэн мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын хэмжээе тоолохо. Катод дээрэ гурбан тэмсэлшэ урбал болодог: уһантүрэгшын хубисхал, CO2-ые CO болгохо, CO2-ые мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ болгохо. Антондо мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтын үйлэ ябасатай тула мэрээшэнэй хүшэлые FE хоёр хубида хубаажа болоно: мэрээшэнэй хүшэлые суглуулха ба мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын исэлдэлтэ. Ниитэ массын тэнсүүриие иигэжэ бэшэжэ болоно:
Бидэ ГХ-ые ВЭЖХ-ээр суглуулһан мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ, уһантүрэгшэ, СО-гой хэмжээе тодорхойлхын тулада хэрэглээбди. Нэмэлтэ зураг S5-да харуулһан тохиргоо хэрэглэн, мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын ехэнхи хубиие анодһоо суглуулаа гэжэ тэмдэглэхэ хэрэгтэй. Катод камераһаа суглуулагдаһан формат бага, ойролсоогоор хоёр дахин бага, SC-эй ниитэ хэмжээнэй 0.5%-һаа бага болоно.
Эндэ хэрэглэгдэһэн үргэлжэлһэн тээбэриин загбар адлирхуу системэнүүд дээрэ урданай ажал дээрэ үндэһэлнэ34. Электрон ба ион дамжуулха үе шатада уһанай концентраци ба электростатик боломжые тодорхойлходо Пуассон-Нерст-Планкын (PNP) тэгшэлгэнүүдэй холбоотой системэ хэрэглэгдэдэг. Үндэһэн тэгшэлгэнүүд болон загбарай геометриин дэлгэрэнгы тоймые SI-дэ үгтэнэ.
Энэ системэ найман уһанай бодосой концентраци тодорхойлно (\({{{{{{\rm{C}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2 \left ({{{{{{\rm{aq}}}}}}}\right)}\), \({{{{\rm{}}}}}}}\), \({{{{{\}}}}}} ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{{\rm{H}}}}}}{-}\), \({{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}}_{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{3}} 2}} \}} ({{{{{\rm{HCOOH}}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}}{- }\) ба \({{{ {{{\rm{K}}}}}}}^{+}\)), ион дамжуулха үеын электростатикын потенциал (\(\{I \{I \{I \}}) ба анодицидиф дамжуулха шадабари. Электростатик потенциалнууд (\({\phi }_{A}\) ба \({\phi }_{C}\) тус тусдаа). Харин орондонь, орон нютагай сахилгаан нейтралитет болон зарядай хубаариин функцинууд бэелүүлэгдэдэггүй, сансарын зарядай бүһэ Пуассоной тэгшэлгэ хэрэглэн шууд шиидэгдэдэг; Энэ аргань CEM|AEM, CEM|Pore, AEM|Pore интерфейсүүд дээрэ Доннанай түлхисэ нүлөөе шууд загбарлаха боломжо олгоно. Нэмэжэ хэлэхэдэ, катализаторай анод ба катод дабхаргада зарядай дамжуулалтые тодорхойлходо сүвэрхэг электродой онол (ПЭТ) хэрэглэгдэдэг. Авторнуудай мэдэһээр, энэ ажал олон сансарын зарядтай системэдэ ПЭТ-эй түрүүшын хэрэглэлгэ болоно.
GDE BOT ба EOT катод дээжые 8.0 кеВ рентген эхитэй Zeiss Xradia 800 Ultra, шэнгээхэ ба үргэн талбайн горимо, дүрсын синтез1 хэрэглэн туршаһан байна. 901 зураг -90°-һаа 90° хүрэтэр 50 секундын гэрэлтүүлгэтэйгээр суглуулагдаһан байна. Һэргээлтэ 64 нм вокселэй хэмжээтэй арын проекциин шүүгшэ хэрэглэн хэгдэһэн байна. Сегментированиин ба хэһэгүүдэй хэмжээнэй хубаариин шэнжэлэл тусхай бэшэмэл код хэрэглэн хэгдэһэн байна.
Электрон микроскопоор шэнжэлэлгэ хадаа туршалгын МЭА-нуудые алмаз хутагаар ультра нимгэн тайралта хэхэ бэлэдхэлэй эпоксиднэ давирхай соо оруулха арга юм. МЭА бүхэнэй огторгойн зурлаа 50-һаа 75 нм хүрэтэр зузаантайгаар тайраһан байна. Талос F200X дамжуулгын электрон микроскоп (Thermo Fisher Scientific) сканерэй дамжуулгын электрон микроскоп (STEM) болон энергиин тархалтын рентген спектроскопи (EDS) хэмжүүрнүүдтэ хэрэглэгдээ. Микроскоп 4 сонхогүй SDD илгаруулагшатай EDS Super-X системээр тоноглогдоһон ба 200 кВ-ээр хүдэлдэг.
Нунтаг рентген дифракциин хэбүүдые (PXRD) 40 кВ ба 40 мА-да хүдэлдэг Ni-шүүһэн Cu Kα туяалалтатай Bruker Advance D8 нунтаг рентген дифрактометр дээрэ абаһан байна. Сканировалгын диапазон 10°-һаа 60° хүрэтэр, алхамай хэмжээ 0.005°, мэдээсэл абаха хурдан алхам бүхэндэ 1 секунд.
Bi2O3 Bi L3 катализаторай захада RAS спектрые гэртээ хэһэн эс хэрэглэн потенциалай функци болгон хэмжэжэ үзэбэ. Bi2O3 каталитик иономерэй бэхэ 26.1 мг Bi2O3-ые 156.3 μL иономерэй урасхалтай (6.68%) холижо, 1 М KOH, уһан (157 μL) ба изопропилай спирт (104 μL)-ээр саармагжуулжа иономерэй бэхэ бэлдэһэн байна. Катализаторай коэффициент 0.4 байна. Bi2O3 катализаторай ашаглалга 0.5 мг/см2 хүрэтэр бэхэ графенэй хуудаһан дээрэ тэгшэ дүрбэлжэн толбонуудаар (10×4 мм) түрхигдэбэ. Эдэ газарнуудые электролитһээ тусгаарлахын тулада графенэй хуудаһанай үлэһэн хубинь Каптоноор бүрхөөгдэһэн байна. Катализатораар бүрхөөгдэһэн графен хуудаһа хоёр PTFE-эй хоорондо оруулагдажа, эсэй бэедэ (PEEK) шургуулгаар няагаад, S8 зураг. Hg/HgO (1 M NaOH) стандарт электрод боложо, нүүрһэнтүрэгшын саарһан эсэргүү электрод боложо үгөө. Hg/HgO стандарт электродые уһантүрэгшын ханаһан 0.1 М KOH-да дүрэһэн платинай утаһаар шалгажа, бүхы хэмжэгдэһэн потенциалнуудые эргэлзээтэй уһантүрэгшын электрод (RHE) хэмжүүртэ хубилгаа. XRD спектрнүүдые 0.1 М KOH-да дүрэһэн, 30 °C хүрэтэр халаагдаһан Bi2O3/графен хуудаһанай ажалай электродой боломжые хинаха замаар абаһан байна. Электролит батарей соо эргэлдэнэ, электролит орохо үүдэн эсэй доодо талада, гараха үүдэн дээдэ талада байдаг, тиигэжэ электролит бөөмбөрүүд бии болоходо катализаторай дабхаргатай холбоо тогтоохо ёһотой. Ажалай электродой потенциалые ударидахын тулада CH Instruments 760e потенциостат хэрэглэгдээ. Боломжонуудай дараалал нээлтэтэ хэлхеэ холбооной потенциал байгаа: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 ба +700 мВ RHE-һээ дулдыдаха. Бүхы iR потенциалнуудые тааруулһан байна.
Bi L3 ирмэг (~13424 eV for Bi metal) рентген шэнгээхэ нарин бүтэсэ (XAFS) спектроскопи 10-ID канал, Дээрэхи Фотоной Эхэ (APS), Аргоннын Үндэһэтэнэй Флуоресценциин Лаборатори дээрэ хэгдэһэн байна. Үндэһэтэнэй загбарай хэмжүүрэй лаборатори. Шэнгэн азотоор хүйтэрүүлһэн хоёр кристалл Si(111) монохроматорые рентген туяагай энергиие тааруулхын тулада хэрэглэбэ, гармоникын агуулгые намдаахадаа родиин бүрхөөлтэй толи хэрэглэбэ. Сканировалгын энерги 13200-һаа 14400 эВ хүрэтэр өөршэлэгдэжэ, шүүгшэгүй гү, али Соллерэй забһаргүй 5 × 5 кремниин PIN диод массивые хэрэглэн флюоресценци хэмжэгдэһэн байна. Хоёрдохи гаралтай тэг гаталха энерги Pt фольгын L2 захаар 13271.90 эВ-ээр шалгагданхай. Электрохимиин эсэй зузаанһаа боложо, стандартын спектрые нэгэ доро хэмжэхэ аргагүй байгаа. Тиимэһээ туршалгын туршада дабтаһан хэмжүүрнүүд дээрэ үндэһэлжэ, ороһон рентген энергиин сканерһаа сканер хүрэтэрхи хубилалта ±0.015 эВ болоно. Bi2O3 дабхаргын зузаан флюоресценциин өөрөө шэнгээхэ тодорхой хэмжээндэ хүргэдэг; электродууд ороһон туяа ба илгаруулагшатай харисуулан тогтомол шэглэлтэй байдаг тула бүхы сканернуудые бараг адли болгодог. Athena программын (0.9.26 хубилалта) шугаман хослуулан тааруулха алгоритмые хэрэглэн, Bi ба Bi2O3 стандартнуудай XANES бүһэтэй харисуулан висмутай исэлдэлтын байдал ба химиин түхэл тодорхойлхын тулада ойро оршохо XAFS спектр хэрэглэгдээ. IFEFFIT 44 кодоор.
Энэ үгүүлэл соохи тоо баримтануудые болон энэ шэнжэлэлгын бусад тобшололнуудые дэмжэһэн мэдээсэлнүүдые харюусаһан зохёолшоһоо үндэһэнэй эрилтээр абажа болохо.
Крэндалл Б.С., Брикс Т., Вебер Р.С. ба Цзяо Ф. Ногоон мэдээсэлэй хэрэгсэлнүүдэй хангамжын һэльбэн шэлжэлтын техно-эдэй засагай сэгнэлтэ H2. Эршэм хүсэнэй түлишэ 37, 1441–1450 (2023).
Юнас М, Резаказеми М, Арбаб МС, Шах Ж ба Рехман В. Ногоон уһантүрэгшын хадагалха ба хүргэхэ: үндэр эдэбхитэй нэгэ түрэлэй ба олон янзын катализаторнуудые хэрэглэн мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын дегидрогенизаци. уласхоорондын байдал. Ж. Гидрог. Энерги 47, 11694–11724 (2022).
Ние, Р. болон бусад Гетерогеннэ шэлжэлтын металл катализаторнууд дээрэ мэрээшэнэй хүшэлые каталитик дамжуулгын гидрогенизациин һаяын хүгжэлтэ. AKS каталог. 11, 1071–1095 (2021).
Рахими, А., Ульбрих, А., Кун, Ж.Ж., ба Сталь, С.С. Исэлдэһэн лигнинэй үнэртэй нэгэдэлнүүдтэ мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшын үүсхэһэн деполимеризаци. Байгаали 515, 249–252 (2014).
Шулер Э. болон бусад Мэрээшэнэй хүшэлтүрэгшэ CO 2 хэрэглэлгын гол дундажа зүйл болоно. ногоон. Химиин. 24, 8227–8258 (2022).
Чжоу, Х. болон бусад Нүүрһэнуһантүрэгшэ ба лигнинай агууламжа ниитэдээ дээшэлүүлхын тулада урсаха мэрээшэнэй хүшэлые хэрэглэн биомассын түргэн һандаралгүй фракционировани (≤15 мин). Хими ба Хими 12, 1213–1221 (2019).
Калви, Ч.Х. болон бусад Дабшаха лабораториин хубисхалай мэдээсэлэй инженери хэрэглэн формат дээрэ Cupriavidus necator H16-ай ургалтые һайжаруулһан. Метаболитууд. инженер. 75, 78–90 (2023).
Ишай, О. ба Линднер, С.Н. Гонсалес де ла Круз, Ж., Тененбойм, Х. ба Бар-Эвен, А. Форматуудай биоэдэй засаг. мүнөө үеын. Һанамжа. Химиин. биологи. 35, 1–9 (2016).