Isi formulir di bawah ini dan kami akan mengirimkan versi PDF “Peningkatan teknologi baru untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar cair” melalui email.
Karbon dioksida (CO2) adalah hasil pembakaran bahan bakar fosil dan gas rumah kaca yang paling umum, yang dapat dikonversi kembali menjadi bahan bakar yang bermanfaat secara berkelanjutan. Salah satu cara yang menjanjikan untuk mengubah emisi CO2 menjadi bahan bakar adalah proses yang disebut reduksi elektrokimia. Namun, agar layak secara komersial, proses ini perlu ditingkatkan untuk memilih atau menghasilkan lebih banyak produk kaya karbon yang diinginkan. Kini, sebagaimana dilaporkan dalam jurnal Nature Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) telah mengembangkan metode baru untuk meningkatkan permukaan katalis tembaga yang digunakan untuk reaksi tambahan, sehingga meningkatkan selektivitas proses tersebut.
"Meskipun kita tahu bahwa tembaga adalah katalis terbaik untuk reaksi ini, tembaga tidak memberikan selektivitas yang tinggi untuk produk yang diinginkan," kata Alexis, ilmuwan senior di Departemen Ilmu Kimia di Berkeley Lab dan profesor teknik kimia di University of California, Berkeley. Spell menambahkan, "Tim kami menemukan bahwa kita dapat memanfaatkan lingkungan lokal katalis untuk melakukan berbagai trik guna mencapai selektivitas semacam ini."
Dalam studi sebelumnya, para peneliti telah menetapkan kondisi yang tepat untuk menyediakan lingkungan listrik dan kimia terbaik guna menciptakan produk kaya karbon bernilai komersial. Namun, kondisi ini bertentangan dengan kondisi yang terjadi secara alami pada sel bahan bakar konvensional yang menggunakan material konduktif berbasis air.
Untuk menentukan desain yang dapat digunakan dalam lingkungan air sel bahan bakar, sebagai bagian dari proyek Pusat Inovasi Energi dari Aliansi Sinar Matahari Cair Kementerian Energi, Bell dan timnya beralih ke lapisan tipis ionomer, yang memungkinkan molekul bermuatan (ion) tertentu untuk melewatinya. Mengecualikan ion lainnya. Karena sifat kimianya yang sangat selektif, ionomer sangat cocok untuk memberikan dampak yang kuat pada lingkungan mikro.
Chanyeon Kim, seorang peneliti pascadoktoral di kelompok Bell dan penulis pertama makalah ini, mengusulkan untuk melapisi permukaan katalis tembaga dengan dua ionomer umum, Nafion dan Sustainion. Tim berhipotesis bahwa hal tersebut akan mengubah lingkungan di dekat katalis—termasuk pH, jumlah air, dan karbon dioksida—sehingga reaksi dapat diarahkan untuk menghasilkan produk kaya karbon yang dapat dengan mudah diubah menjadi bahan kimia yang bermanfaat. Produk dan bahan bakar cair.
Para peneliti mengaplikasikan lapisan tipis masing-masing ionomer dan lapisan ganda dua ionomer pada lapisan tembaga yang didukung oleh bahan polimer untuk membentuk lapisan tipis, yang dapat mereka sisipkan di dekat salah satu ujung sel elektrokimia berbentuk tangan. Ketika karbon dioksida diinjeksikan ke dalam baterai dan diberikan tegangan, mereka mengukur total arus yang mengalir melalui baterai. Kemudian, mereka mengukur gas dan cairan yang terkumpul di reservoir di sebelahnya selama reaksi. Untuk kasus dua lapisan, mereka menemukan bahwa produk kaya karbon menyumbang 80% energi yang dikonsumsi oleh reaksi—lebih tinggi daripada 60% pada kasus tanpa lapisan.
"Lapisan sandwich ini memberikan yang terbaik dari dua hal: selektivitas produk yang tinggi dan aktivitas yang tinggi," ujar Bell. Permukaan lapisan ganda ini tidak hanya baik untuk produk kaya karbon, tetapi juga menghasilkan arus yang kuat, yang menunjukkan peningkatan aktivitas.
Para peneliti menyimpulkan bahwa peningkatan respons ini merupakan hasil dari konsentrasi CO2 yang tinggi yang terakumulasi dalam lapisan tepat di atas tembaga. Selain itu, molekul bermuatan negatif yang terakumulasi di antara kedua ionomer akan menghasilkan keasaman lokal yang lebih rendah. Kombinasi ini mengimbangi trade-off konsentrasi yang cenderung terjadi tanpa adanya lapisan film ionomer.
Untuk lebih meningkatkan efisiensi reaksi, para peneliti beralih ke teknologi yang telah terbukti sebelumnya dan tidak memerlukan lapisan ionomer sebagai metode lain untuk meningkatkan CO2 dan pH: tegangan pulsa. Dengan menerapkan tegangan pulsa pada lapisan ionomer dua lapis, para peneliti mencapai peningkatan 250% dalam produk kaya karbon dibandingkan dengan tembaga tanpa lapisan dan tegangan statis.
Meskipun beberapa peneliti memfokuskan penelitian mereka pada pengembangan katalis baru, penemuan katalis tersebut tidak memperhitungkan kondisi operasi. Pengendalian lingkungan pada permukaan katalis merupakan metode yang baru dan berbeda.
"Kami tidak menciptakan katalis yang benar-benar baru, tetapi menggunakan pemahaman kami tentang kinetika reaksi dan menggunakan pengetahuan ini untuk memandu kami dalam memikirkan cara mengubah lingkungan lokasi katalis," kata Adam Weber, seorang insinyur senior. Ia adalah ilmuwan di bidang teknologi energi di Berkeley Laboratories dan salah satu penulis makalah.
Langkah selanjutnya adalah memperluas produksi katalis berlapis. Eksperimen awal tim Berkeley Lab melibatkan sistem model datar kecil, yang jauh lebih sederhana daripada struktur berpori luas yang dibutuhkan untuk aplikasi komersial. "Mengaplikasikan lapisan pada permukaan datar tidaklah sulit. Namun, metode komersial mungkin melibatkan pelapisan bola-bola tembaga kecil," kata Bell. Menambahkan lapisan pelapis kedua menjadi tantangan. Salah satu kemungkinannya adalah mencampur dan mendepositkan kedua lapisan tersebut dalam pelarut, dan berharap keduanya terpisah ketika pelarut menguap. Bagaimana jika tidak? Bell menyimpulkan: "Kita hanya perlu lebih cerdas." Lihat Kim C, Bui JC, Luo X, dan lainnya. Lingkungan mikro katalis yang disesuaikan untuk elektroreduksi CO2 menjadi produk multi-karbon menggunakan pelapisan ionomer lapis ganda pada tembaga. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Artikel ini direproduksi dari materi berikut. Catatan: Materi mungkin telah diedit berdasarkan panjang dan isi. Untuk informasi lebih lanjut, silakan hubungi sumber yang dikutip.
Waktu posting: 22-Nov-2021
