Isi formulir di bawah ini dan kami akan mengirimkan versi PDF dari “Peningkatan teknologi baru untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar cair” melalui email.
Karbon dioksida (CO2) adalah produk dari pembakaran bahan bakar fosil dan gas rumah kaca yang paling umum, yang dapat diubah kembali menjadi bahan bakar yang bermanfaat secara berkelanjutan. Salah satu cara yang menjanjikan untuk mengubah emisi CO2 menjadi bahan baku bahan bakar adalah proses yang disebut reduksi elektrokimia. Namun, agar layak secara komersial, proses tersebut perlu ditingkatkan untuk memilih atau menghasilkan produk kaya karbon yang lebih diinginkan. Kini, seperti yang dilaporkan dalam jurnal Nature Energy, Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (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, ia tidak memberikan selektivitas tinggi untuk produk yang diinginkan,” kata Alexis, seorang ilmuwan senior di Departemen Ilmu Kimia di Berkeley Lab dan profesor teknik kimia di Universitas California, Berkeley. Spell mengatakan, “Tim kami menemukan bahwa Anda dapat menggunakan lingkungan lokal katalis untuk melakukan berbagai trik guna memberikan selektivitas semacam ini.”
Dalam penelitian sebelumnya, para peneliti telah menetapkan kondisi yang tepat untuk menyediakan lingkungan listrik dan kimia terbaik untuk menciptakan produk kaya karbon dengan nilai komersial. Namun, kondisi ini bertentangan dengan kondisi yang secara alami terjadi pada sel bahan bakar tipikal 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 menggunakan lapisan tipis ionomer, yang memungkinkan molekul bermuatan tertentu (ion) untuk melewatinya dan menghalangi ion lain. Karena sifat kimianya yang sangat selektif, ionomer sangat cocok untuk memberikan dampak yang kuat pada lingkungan mikro.
Chanyeon Kim, seorang peneliti pascadoktoral di grup Bell dan penulis pertama makalah tersebut, mengusulkan untuk melapisi permukaan katalis tembaga dengan dua ionomer umum, Nafion dan Sustainion. Tim tersebut berhipotesis bahwa dengan melakukan hal tersebut akan mengubah lingkungan di dekat katalis—termasuk pH dan jumlah air serta karbon dioksida—dengan cara tertentu untuk mengarahkan reaksi agar menghasilkan produk kaya karbon yang dapat dengan mudah diubah menjadi bahan kimia dan bahan bakar cair yang bermanfaat.
Para peneliti mengaplikasikan lapisan tipis dari masing-masing ionomer dan lapisan ganda dari dua ionomer ke film tembaga yang ditopang oleh bahan polimer untuk membentuk film, yang dapat mereka masukkan di dekat salah satu ujung sel elektrokimia berbentuk tangan. Saat menyuntikkan karbon dioksida ke dalam baterai dan menerapkan tegangan, mereka mengukur total arus yang mengalir melalui baterai. Kemudian mereka mengukur gas dan cairan yang terkumpul di reservoir yang berdekatan selama reaksi. Untuk kasus dua lapis, mereka menemukan bahwa produk kaya karbon menyumbang 80% dari energi yang dikonsumsi oleh reaksi—lebih tinggi dari 60% pada kasus tanpa lapisan.
“Lapisan sandwich ini memberikan yang terbaik dari kedua dunia: selektivitas produk yang tinggi dan aktivitas yang tinggi,” kata Bell. Permukaan berlapis ganda ini tidak hanya baik untuk produk yang kaya karbon, tetapi juga menghasilkan arus yang kuat pada saat yang bersamaan, yang menunjukkan peningkatan aktivitas.
Para peneliti menyimpulkan bahwa peningkatan respons tersebut merupakan hasil dari konsentrasi CO2 yang tinggi yang terakumulasi dalam lapisan tepat di atas tembaga. Selain itu, molekul bermuatan negatif yang terakumulasi di wilayah antara kedua ionomer akan menghasilkan keasaman lokal yang lebih rendah. Kombinasi ini mengimbangi pertukaran konsentrasi yang cenderung terjadi tanpa adanya lapisan ionomer.
Untuk lebih meningkatkan efisiensi reaksi, para peneliti beralih ke teknologi yang telah terbukti sebelumnya yang tidak memerlukan lapisan ionomer sebagai metode lain untuk meningkatkan CO2 dan pH: tegangan pulsa. Dengan menerapkan tegangan pulsa pada lapisan ionomer ganda, para peneliti mencapai peningkatan produk kaya karbon sebesar 250% dibandingkan dengan tembaga tanpa lapisan dan tegangan statis.
Meskipun beberapa peneliti memfokuskan pekerjaan mereka pada pengembangan katalis baru, penemuan katalis tersebut tidak mempertimbangkan kondisi operasi. Mengontrol lingkungan pada permukaan katalis merupakan metode baru dan berbeda.
“Kami tidak menciptakan katalis yang sepenuhnya baru, tetapi menggunakan pemahaman kami tentang kinetika reaksi dan menggunakan pengetahuan ini untuk memandu kami dalam memikirkan cara mengubah lingkungan situs katalis,” kata Adam Weber, seorang insinyur senior. Ia adalah ilmuwan di bidang teknologi energi di Berkeley Laboratories dan salah satu penulis makalah tersebut.
Langkah selanjutnya adalah memperluas produksi katalis berlapis. Eksperimen awal tim Berkeley Lab melibatkan sistem model datar kecil, yang jauh lebih sederhana daripada struktur berpori area luas yang dibutuhkan untuk aplikasi komersial. “Tidak sulit untuk mengaplikasikan lapisan pada permukaan datar. Tetapi metode komersial mungkin melibatkan pelapisan bola tembaga kecil,” kata Bell. Menambahkan lapisan pelapis kedua menjadi tantangan. Salah satu kemungkinannya adalah mencampur dan mengendapkan kedua lapisan tersebut bersama-sama 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 elektro-reduksi CO2 menjadi produk multi-karbon menggunakan lapisan ionomer 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 tersebut mungkin telah diedit untuk menyesuaikan panjang dan isinya. Untuk informasi lebih lanjut, silakan hubungi sumber yang dikutip.
Waktu posting: 22 November 2021
