Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS ярдәме чикләнгән. Иң яхшы нәтиҗәләргә ирешү өчен, без сезгә браузерыгызның яңарак версиясен кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, даими ярдәм күрсәтү өчен, без сайтны стильләштермичә яки JavaScriptсыз күрсәтәбез.
Углекислый газны кумырска кислотасына электрохимик редукцияләү углекислый газны куллануны яхшыртуның өметле ысулы булып тора һәм водород саклау мохите буларак кулланылышка ия. Бу эштә углекислый газдан кумырска кислотасын турыдан-туры электрохимик синтезлау өчен нуль аралы мембрана электродлары җыю архитектурасы эшләнде. Төп технологик алгарыш - перфорацияләнгән катион алмашу мембранасы, ул туры юнәлешле биполяр мембрана конфигурациясендә кулланылганда, мембрана чигендә формалашкан кумырска кислотасын 0,25 М кадәр түбән концентрацияләрдә анод агымы кыры аша күчерергә мөмкинлек бирә. Анод һәм катод арасында өстәмә сэндвич компонентлары булмаганда, концепция ягулык элементларында һәм водород электролизында киң таралган булган батарея материалларын һәм конструкцияләрен куллануны максат итеп куя, масштаблауга һәм коммерцияләштерүгә тизрәк күчү мөмкинлеген бирә. 25 см2 элементта перфорацияләнгән катион алмашу мембранасы конфигурациясе кумырска кислотасы өчен <2 В һәм 300 мА/см2 көчәнештә >75% Фарадей нәтиҗәлелеген тәэмин итә. Иң мөһиме, 200 мА/см2 көчәнештә 55 сәгатьлек тотрыклылык сынавында Фарадей нәтиҗәлелеге һәм элемент көчәнеше тотрыклы булды. Хәзерге кумурска кислотасы җитештерү ысуллары белән чыгымнар паритетына ирешү юлларын күрсәтү өчен техник-икътисади анализ кулланыла.
Яңартыла торган электр энергиясен кулланып углерод диоксидын кумырска кислотасына электрохимик киметү җитештерү чыгымнарын традицион казылма ягулыкка нигезләнгән ысуллар белән чагыштырганда 75% ка кадәр киметә1. Әдәбиятта күрсәтелгәнчә, кумырска кислотасы киң кулланылышка ия, водородны саклау һәм ташуның нәтиҗәле һәм экономияле ысулыннан алып химия сәнәгате өчен чималга кадәр4,5 яки биомасса сәнәгате өчен6. Кумырска кислотасы хәтта метаболик инженерия ярдәмендә тотрыклы реактив ягулык арадаш продуктларына әйләндерү өчен чимал буларак та билгеләнде7,8. Кумырска кислотасы икътисады үсеше белән1,9, берничә тикшеренү эше катализатор селективлыгын оптимальләштерүгә юнәлтелгән10,11,12,13,14,15,16. Шулай да, күп тырышлыклар түбән ток тыгызлыгында (<50 мА/см2) эшләүче кечкенә H-клеткаларга яки сыек агым күзәнәкләренә юнәлтелгән. Чыгымнарны киметү, коммерцияләштерүгә ирешү һәм базарга аннан соң үтеп керүне арттыру өчен, электрохимик углекислый газны киметү (CO2R) югары ток тыгызлыгында (≥200 мА/см2) һәм Фарадей нәтиҗәлелегендә (FE)17 башкарылырга тиеш, шул ук вакытта материал куллануны максимальләштерү һәм ягулык элементларыннан алынган батарея компонентларын куллану технологиясе CO2R җайланмаларына масштаб экономиясеннән файдаланырга мөмкинлек бирә18. Моннан тыш, җитештерүнең файдалылыгын арттыру һәм өстәмә эшкәртүдән качу өчен, формаль тозлар урынына соңгы продукт буларак кумурска кислотасы кулланылырга тиеш19.
Бу юнәлештә, соңгы вакытта сәнәгать өчен мөһим булган CO2R форматы/формик кислота нигезендәге газ диффузия электроды (GDE) җайланмаларын эшләү буенча тырышлыклар куелды. Фернандес-Касо һ.б. тарафыннан үткәрелгән комплекслы күзәтүдә CO2-ны формик кислота/форматка өзлексез кайтару өчен барлык электрохимик күзәнәк конфигурацияләре гомумиләштерелә. Гомумән алганда, барлык булган конфигурацияләрне өч төп категориягә бүлеп була: 1. Агымлы католитлар19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Бер мембраналы (катион алмашу мембранасы (CEM)28 яки анион алмашу мембранасы (AEM)29 һәм 3. Сэндвич конфигурациясе15,30,31,32. Бу конфигурацияләрнең гадиләштерелгән кисемтәләре 1a рәсемдә күрсәтелгән. Католитның агым конфигурациясе өчен мембрана һәм GDE катоды арасында электролит камерасы булдырыла. Агымлы католит катализаторның катод катламында ион каналларын булдыру өчен кулланыла33, гәрчә аның формат сайлаучанлыгын контрольдә тоту кирәклеге бәхәсле булса да34. Ләкин бу конфигурацияне Чен һ.б. кулланган. 1,27 мм калынлыктагы католит катламы булган углерод субстратында SnO2 катодын кулланып, 500 мА/см2 да 90% кадәр FE35 алуга ирешелгән. Калын католит катламы һәм Ион күчерүен чикләүче кире юнәлешле биполяр мембрана (BPM) 6 В эш көчәнеше һәм 15% энергия нәтиҗәлелеге бирә. Энергия нәтиҗәлелеген арттыру өчен, Ли һ.б., бер CEM конфигурациясен кулланып, 51,7 мА/см2 фракцияле ток тыгызлыгында 93,3% FE 29га ирештеләр. Диас-Сайнц һ.б.28 45 мА/см2 ток тыгызлыгында бер CEM мембранасы булган фильтр прессын кулландылар. Ләкин барлык ысуллар да өстенлекле продукт, ягъни формик кислотасы урынына форма барлыкка китерде. Өстәмә эшкәртү таләпләреннән тыш, CEM конфигурацияләрендә KCOOH кебек форматлар GDE һәм агым кырында тиз җыела ала, бу транспорт чикләүләренә һәм күзәнәкнең җимерелүенә китерә.
Бу тикшеренүдә тәкъдим ителгән өч иң күренекле CO2R-ны формат/формик кислотага әйләндерү җайланмасы конфигурацияләрен һәм архитектурасын чагыштыру. b Әдәбиятта (S1 өстәмә таблицасында күрсәтелгән) һәм безнең эшебездә католит конфигурацияләре, сэндвич конфигурацияләре, бер CEM конфигурацияләре өчен гомуми ток һәм формат/формик кислота чыгышын чагыштыру. Ачык билгеләр формат эремәсе җитештерүне, ә каты билгеләр форматик кислота җитештерүне күрсәтә. *Анодта водород кулланып күрсәтелгән конфигурация. c Алга таба тайпылыш режимында эшләүче перфорацияләнгән катион алмашу катламы булган композит биполяр мембрананы кулланып нуль аралы MEA конфигурациясе.
Формата барлыкка килүне булдырмас өчен, Пройетто һ.б. 32 катламнар арасындагы деионизацияләнгән су агып торган бүленмәгән фильтр пресс конфигурациясен кулланганнар. Система 50–80 мА/см2 ток тыгызлыгы диапазонында >70% CEга ирешә ала. Шулай ук, Ян һ.б. 14 CEM һәм AEM арасында каты электролит катламын кулланып, коры кислота барлыкка килүне стимуллаштырырга тәкъдим иткәннәр. Ян һ.б. 31,36 5 см2 күзәнәктә 200 мА/см2 да 91,3% FEга ирешеп, 6,35 авырлык % коры кислотасы эремәсен җитештергәннәр. Ся һ.б. Охшаш конфигурацияне кулланып, углекислый газның (CO2) коры кислота FEга 83% әйләнүе 200 мА/см2 да ирешелгән, һәм системаның ныклыгы 100 сәгать 30 минут дәвамында тикшерелгән. Кечкенә масштаблы нәтиҗәләр өметле булса да, күзәнәкле ион алмашу сумалаларының бәясенең артуы һәм катлаулылыгы катламара конфигурацияләрне зуррак системаларга (мәсәлән, 1000 см2) масштаблауны катлауландыра.
Төрле конструкцияләрнең гомуми эффектын күз алдына китерү өчен, без алда телгә алынган барлык системалар өчен кВт/сәг га формат/формик кислота җитештерүен таблицага төшердек һәм аларны 1b рәсемдә күрсәттек. Монда католит яки катламлы системаның түбән ток тыгызлыгында иң югары күрсәткечкә ирешәчәге һәм югарырак ток тыгызлыгында начарланачагы ачык күренә, монда ом чиге элементның көчәнешен билгели ала. Моннан тыш, энергияне нәтиҗәле кулланучы CEM конфигурациясе кВт/сәг га иң югары моляр формик кислота җитештерүен тәэмин итсә дә, тоз туплану югары ток тыгызлыгында тиз начарлануга китерергә мөмкин.
Элегрәк каралган ватылу режимнарын йомшарту өчен, без перфорацияләнгән катион алмашу мембранасы (PCEM) белән композит алга таба юнәлтелгән BPMны үз эченә алган мембрана электрод җыелмасын (MEA) эшләдек. Архитектурасы 1c рәсемдә күрсәтелгән. Водород (H2) водород оксидлашу реакциясе (HOR) аша протоннар булдыру өчен анодка кертелә. Катодта барлыкка килгән форма ионнарының AEM аша үтүенә, протоннар белән кушылып, BPM интерфейсында һәм CEMның интерстициаль пораларында кубыз кислотасы барлыкка китерүенә, аннары GDE анод һәм агым кыры аша чыгуына мөмкинлек бирү өчен BPM системасына PCEM катламы кертелә. Бу конфигурацияне кулланып, без 25 см2 күзәнәк мәйданы өчен <2 В һәм 300 мА/см2 да кубыз кислотасының >75% FE га ирештек. Иң мөһиме, конструкция ягулык күзәнәге һәм су электролизы заводлары өчен коммерциядә кулланыла торган компонентларны һәм аппарат архитектураларын куллана, бу масштаблау вакытын тизрәк арттырырга мөмкинлек бирә. Католит конфигурацияләрендә католит агым камералары бар, алар газ һәм сыек фазалар арасында басым дисбалансына китерергә мөмкин, бигрәк тә зуррак күзәнәк конфигурацияләрендә. Сыеклык агымының күзәнәкле катламнары булган сэндвич структуралары өчен, арадаш катлам эчендә басым төшүен һәм углекислый газ туплануын киметү өчен, күзәнәкле арадаш катламны оптимальләштерү өчен зур тырышлыклар таләп ителә. Болар икесе дә кәрәзле элемтәнең өзелүенә китерергә мөмкин. Зур күләмдә аерым торган юка күзәнәкле катламнар җитештерү дә авыр. Киресенчә, тәкъдим ителгән яңа конфигурация - агым камерасы яки арадаш катлам булмаган нуль аралы MEA конфигурациясе. Башка гамәлдәге электрохимик күзәнәкләр белән чагыштырганда, тәкъдим ителгән конфигурация уникаль, чөнки ул масштабланырлык, энергияне нәтиҗәле кулланучы, нуль аралы конфигурациядә формик кислотасын турыдан-туры синтезларга мөмкинлек бирә.
Водород бүленешен бастыру өчен, зур күләмле CO2 редукцияләү тырышлыклары MEA һәм AEM мембрана конфигурацияләрен югары моляр концентрацияле электролитлар (мәсәлән, 1-10 M KOH) белән берлектә катодта селтеле шартлар тудыру өчен кулланды (2a рәсемдә күрсәтелгәнчә). Бу конфигурацияләрдә катодта барлыкка килгән формаль ионнар мембрана аша тискәре зарядлы төрләр буларак үтә, аннары KCOOH формалаша һәм системадан анодлы KOH агымы аша чыга. 2b рәсемдә күрсәтелгәнчә, формаль FE һәм күзәнәк көчәнеше башта уңай булса да, тотрыклылык сынаулары FEның нибары 10 сәгать эчендә якынча 30% ка кимүенә китерде (S1a–c рәсем). Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, 1 M KOH анолитын куллану селтеле кислород бүленеше реакциясе (OER) системаларында анодлы артык көчәнешне минимальләштерү өчен бик мөһим37 һәм катод катализаторы катализаторы эчендә ионнарга керү мөмкинлегенә ирешү өчен бик мөһим33. Анолит концентрациясе 0,1 М KOH кадәр кимегәндә, күзәнәк көчәнеше дә, кумырска кислотасы оксидлашуы да (кумырска кислотасы югалуы) арта (S1d рәсеме), бу нуль суммалы компромиссны күрсәтә. Формат оксидлашу дәрәҗәсе гомуми масса балансы ярдәмендә бәяләнде; тулырак мәгълүмат өчен "Методлар" бүлеген карагыз. MEA һәм бер CEM мембранасы конфигурацияләрен кулланып эшләнгән эшчәнлек тә өйрәнелде, һәм нәтиҗәләр S1f,g рәсемнәрендә күрсәтелгән. Катодтан җыелган FE форматы сынау башында 200 мА/см2 да >60% иде, ләкин элек каралган катод тозы туплану сәбәпле ике сәгать эчендә тиз таркалды (S11 рәсеме).
Катодта CO2R, анодта водород оксидлашу реакциясе (HOR) яки OER булган нуль аралы MEA схемасы, һәм алар арасында бер AEM мембранасы. b Анодта 1 M KOH һәм OER агымы булган бу конфигурация өчен FE һәм күзәнәк көчәнеше. Хата полосалары өч төрле үлчәүнең стандарт тайпылышын күрсәтә. Анодта H2 һәм HOR булган FE һәм система күзәнәк көчәнешендә. Формат һәм формик кислота җитештерүен аеру өчен төрле төсләр кулланыла. d Уртада алга күчкән BPM булган MEA схемасы. Бу конфигурацияне кулланып, 200 мА/см2 тизлектә FE һәм батарея көчәнешенең вакытка карата күрсәткече. f Кыска сынаудан соң алга таба юнәлтелгән BPM MEA кисемтәсенең рәсеме.
Кумырска кислотасын җитештерү өчен, водород анодтагы Pt-карбон (Pt/C) катализаторына бирелә. 2d рәсемдә күрсәтелгәнчә, кумырска кислотасын җитештерүгә ирешү өчен анодтагы алга таба юнәлтелгән BPM протоннары алдан тикшерелгән иде. BPM көйләү җайланмасы 200 мА/см2 ток көчәнешендә 40 минут эшләгәннән соң эшләми башлады, бу 5 В тан артык көчәнеш артуы белән бергә бара (2e рәсем). Сынаудан соң, CEM/AEM чикләрендә ачык деламинация күзәтелде. Форматтан тыш, карбонат, бикарбонат һәм гидроксид кебек анионнар да AEM мембранасы аша үтеп, CEM/AEM чикләрендә протоннар белән реакциягә кереп, CO2 газы һәм сыек су җитештерә ала, бу BPM деламинациясенә китерә (2f рәсем) һәм, нәтиҗәдә, күзәнәкнең эшләмәвенә китерә.
Югарыдагы конфигурациянең эшләү һәм эшләмәү механизмнарына нигезләнеп, 1c рәсемдә күрсәтелгәнчә һәм 3a38 рәсемдә җентекләп күрсәтелгәнчә, яңа MEA архитектурасы тәкъдим ителә. Монда PCEM катламы CEM/AEM чикләреннән формик кислота һәм анионнарның миграциясе өчен юл бирә, шуның белән матдә туплануын киметә. Шул ук вакытта, PCEM интерстициаль юлы формик кислотаны диффузия мохитенә һәм агым кырына юнәлтә, формик кислота оксидлашу мөмкинлеген киметә. 80, 40 һәм 25 мм калынлыктагы AEMларны куллану поляризация нәтиҗәләре 3b рәсемдә күрсәтелгән. Көтелгәнчә, гомуми күзәнәк көчәнеше AEM калынлыгы арткан саен арта, калынрак AEM куллану формик кислотаның кире диффузиясен булдырмый, шуның белән катодның рН дәрәҗәсен арттыра һәм H2 җитештерүне киметә (3c–e рәсем).
a AEM һәм перфорацияләнгән CEM һәм төрле кумырска кислотасы транспорт юллары белән MEA структурасын күрсәтү. b Төрле ток тыгызлыгында һәм төрле AEM калынлыгында күзәнәк көчәнеше. 80 мкм AEM калынлыгында төрле ток тыгызлыгында EEда (d) 40 мкм, e) 25 мкм. Хата полосалары өч аерым үрнәктән үлчәнгән стандарт тайпылышны күрсәтә. f Төрле AEM калынлыгында CEM/AEM интерфейсында кумырска кислотасы концентрациясен һәм рН кыйммәтен модельләштерү нәтиҗәләре. f Төрле AEM пленка калынлыгы белән катализаторның катод катламында PC һәм рН. g CEM/AEM интерфейсы һәм перфорация белән кумырска кислотасы концентрациясенең ике үлчәмле бүленеше.
S2 нче рәсемдә Пуассон-Нернст-Планк чикле элементлар моделен кулланып, MEA калынлыгы буенча кумырска кислотасы концентрациясенең һәм рН-ның бүленеше күрсәтелгән. Кумырска кислотасының иң югары концентрациясенең, 0,23 моль/л, CEM/AEM чигендә күзәтелүе гаҗәп түгел, чөнки кумырска кислотасы бу чигендә барлыкка килә. Кумырска кислотасының AEM аша концентрациясе AEM калынлыгы арткан саен тизрәк кими, бу масса күчерүгә каршы торучанлыкның артуын һәм кире диффузия аркасында кумырска кислотасы агымының кимүен күрсәтә. 3 нче f һәм g рәсемнәрендә катод катализаторы катализаторында кире диффузия һәм кумырска кислотасы концентрациясенең ике үлчәмле бүленеше нәтиҗәсендә барлыкка килгән рН һәм кумырска кислотасы кыйммәтләре күрсәтелгән. AEM мембранасы нечкәрәк булган саен, катод янында кумырска кислотасы концентрациясе югарырак була, һәм катодның рН-ы әче була. Шуңа күрә, калынрак AEM мембраналары югарырак ом югалтуларына китерсә дә, алар кумырска кислотасының катодка кире диффузиясен булдырмау һәм FE кумырска кислотасы системасының югары сафлыгын максимальләштерү өчен бик мөһим. Ниһаять, AEM калынлыгын 80 мкм га кадәр арттыру нәтиҗәсендә, <2 В көчәнештә FE >75% һәм 25 см2 күзәнәк мәйданы өчен 300 мА/см2 килеп чыкты.
Бу PECM нигезендәге архитектураның тотрыклылыгын тикшерү өчен, батарея тогы 55 сәгать дәвамында 200 мА/см2 дәрәҗәсендә тотылды. Гомуми нәтиҗәләр 4 нче рәсемдә күрсәтелгән, ә беренче 3 сәгать нәтиҗәләре S3 нче рәсемдә күрсәтелгән. Pt/C анод катализаторын кулланганда, күзәнәк көчәнеше беренче 30 минут эчендә кискен арткан (S3a рәсеме). Озак вакыт эчендә күзәнәк көчәнеше диярлек даими булып калган, деградация тизлеге 0,6 мВ/сәг тәшкил иткән (4a рәсем). Сынау башында анодта җыелган кубыз кислотасының PV 76,5%, ә катодта җыелган водородның PV 19,2% тәшкил иткән. Сынауның беренче сәгатеннән соң водородның FE 13,8% ка кадәр төшкән, бу форманың сайлап алучанлыгының яхшыруын күрсәтә. Ләкин, системада кубыз кислотасының оксидлашу тизлеге 1 сәгать эчендә 62,7% ка кадәр төшкән, ә анод кубыз кислотасының оксидлашу тизлеге сынау башындагы диярлек нульдән 17,0% ка кадәр арткан. Аннары, эксперимент барышында H2, CO, кумырска кислотасының FE һәм кумырска кислотасының анод оксидлашу тизлеге тотрыклы булып калды. Беренче сәгать эчендә кумырска кислотасының оксидлашуының артуы PCEM/AEM чикләрендә кумырска кислотасы туплану белән бәйле булырга мөмкин. Кумырска кислотасы концентрациясе арткан саен, ул мембрана тишелүе аша гына түгел, ә FEM үзе аша да тарала һәм Pt/C анод катламына керә. Кумырска кислотасы 60°C температурада сыек булганлыктан, аның туплануы масса күчерү проблемаларына китерергә һәм водородка караганда өстенлекле оксидлашуга китерергә мөмкин.
a Элемент көчәнешенең вакытка карата мөнәсәбәте (200 мА/см2, 60 °C). Кертмәдә перфорацияләнгән электромагнит кисемтәле MEA кисемтәсенең оптик микроскоп рәсеме күрсәтелгән. Масштаб: 300 мкм. b Pt/C анодын кулланып, 200 мА/см2 да вакыт функциясе буларак ПЭ һәм кумурска кислотасының сафлыгы.
55 сәгатьлек тотрыклылык сынауыннан соң сынау башында (BOT) һәм сынау ахырында (EOT) үрнәкләрнең морфологиясе 5a рәсемендә күрсәтелгәнчә, нано-рентген компьютер томографиясе (нано-КТ) ярдәмендә характерланды. EOT үрнәгендә катализатор кисәкчәләренең зурлыгы зуррак, диаметры 1207 нм, BOT өчен 930 нм белән чагыштырганда. Югары почмаклы боҗрасыман караңгы кыр сканерлау электрон микроскопиясе (HAADF-STEM) рәсемнәре һәм энергия таратучы рентген спектроскопиясе (EDS) нәтиҗәләре 5b рәсемендә күрсәтелгән. BOT катализатор катламы кечерәк катализатор кисәкчәләренең күбесен, шулай ук ​​кайбер зуррак агломератларны үз эченә алса да, EOT этабында катализатор катламын ике аерым өлкәгә бүлеп була: берсе шактый зуррак каты кисәкчәләр белән, икенчесе күбрәк күзәнәкле өлкәләр белән. Кечерәк кисәкчәләр саны. EDS рәсемендә зур каты кисәкчәләрнең Bi, бәлки металл Bi, ә күзәнәкле өлкәләрнең кислород белән бай булуы күрсәтелгән. Күзәнәк 200 мА/см2 көчәнештә эшләгәндә, катодның тискәре потенциалы Bi2O3 редукциясенә китерәчәк, моны түбәндә каралган in situ рентген абсорбция спектроскопиясе нәтиҗәләре күрсәтә. HAADF-STEM һәм EDS карталаштыру нәтиҗәләре Bi2O3 редукция процессын кичерүен күрсәтә, бу аларның кислород югалтуына һәм зуррак металл кисәкчәләренә агломерацияләнүенә китерә. BOT һәм EOT катодларының рентген дифракция үрнәкләре EDS мәгълүматларының интерпретациясен раслый (5в рәсем): BOT катодында бары тик кристалл Bi2O3 ачыкланган, ә EOT катодында кристалл биметал табылган. Катод потенциалының Bi2O3 катод катализаторының оксидлашу дәрәҗәсенә йогынтысын аңлау өчен, температура ачык схема потенциалыннан (+0,3 В vs RHE) -1,5 В га кадәр (RHE белән чагыштырганда) үзгәртелде. Bi2O3 фазасы RHE белән чагыштырганда -0,85 В да кими башлавы күзәтелә, һәм спектрның кырый өлкәсендә ак сызык интенсивлыгы кимүе металлик Biның RHE белән чагыштырганда -1,1,1 В да RHEның 90% ына кадәр кими баруын күрсәтә (5d рәсем). Механизмга карамастан, катодта форманың гомуми селективлыгы, катод морфологиясендә, катализаторның оксидлашу дәрәҗәсендә һәм микрокристаллик структурасында сизелерлек үзгәрешләргә карамастан, H2 һәм CO2FE һәм кумурска кислотасы формалашуыннан күренгәнчә, нигездә үзгәрешсез кала.
a Катализатор катламының өч үлчәмле структурасы һәм нано-рентген компьютер томографиясе ярдәмендә алынган катализатор кисәкчәләренең таралышы. Масштаблы сызык: 10 мкм. b Өске 2: BOT һәм EOT катализаторларының катод катламнарының HAADF-STEM рәсемнәре. Масштаблы сызык: 1 мкм. Аскы 2: EOT катализаторының катод катламының зурайтылган HADF-STEM һәм EDX рәсемнәре. Масштаблы сызык: 100 нм. c BOT һәм EOT катод үрнәкләренең рентген дифракция үрнәкләре. d 0,1 М KOH эчендә Bi2O3 электродының потенциал функциясе буларак in situ рентген абсорбция спектрлары (RHE белән чагыштырганда 0,8 В -1,5 В).
Формик кислотасының оксидлашуын тоткарлау юлы белән энергия нәтиҗәлелеген арттыру өчен нинди мөмкинлекләр барлыгын төгәл билгеләү өчен, көчәнеш югалтуының өлешен ачыклау өчен H2 эталон электроды кулланылды39. 500 мА/см2 дан кимрәк ток тыгызлыгында катод потенциалы -1,25 В дан түбәнрәк кала. Анод потенциалы ике төп өлешкә бүленә: алмашу ток тыгызлыгы HOR һәм алдан үлчәнгән Бултер-Вольмер тигезләмәсе белән фаразланган теоретик артык көчәнеш HOR 40, ә калган өлеше оксидлашу формик кислотасы аркасында. HOR41 белән чагыштырганда реакция кинетикасы күпкә акрынрак булу сәбәпле, анодта формик кислотасының оксидлашу реакциясенең түбән тизлеге анод потенциалының сизелерлек артуына китерергә мөмкин. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, формик кислотасының анод оксидлашуын тулысынча тоткарлау якынча 500 мВ артык көчәнешне бетерә ала.
Бу бәяләүне тикшерү өчен, анод керү урынындагы деионизацияләнгән суның (ДИ) агым тизлеге агып чыккан формик кислотасы концентрациясен киметү өчен үзгәртелде. 6b һәм c рәсемнәрендә FE, формик кислотасы концентрациясе һәм күзәнәк көчәнеше 200 мА/см2 да анодтагы ДИ агымына бәйлелеге күрсәтелгән. Деионизацияләнгән су агымы тизлеге 3,3 мл/мин дан 25 мл/мин га кадәр артканда, анодтагы формик кислотасы концентрациясе 0,27 моль/л дан 0,08 моль/л га кадәр кимегән. Чагыштыру өчен, Xia һ.б. 30 тарафыннан тәкъдим ителгән сэндвич структурасын кулланып, 200 мА/см2 да 1,8 моль/л формик кислотасы концентрациясе алынган. Концентрацияне киметү формик кислотасының гомуми FE ны яхшырта һәм H2 FE ны киметә, чөнки формик кислотасының кире диффузиясе кимү сәбәпле катод рН селтелерәк була. Максималь DI агымында кимегән кубыз кислотасы концентрациясе шулай ук ​​кубыз кислотасы оксидлашуын юкка чыгарды, нәтиҗәдә 200 мА/см2 көчәнештә гомуми күзәнәк көчәнеше 1,7 В тан бераз кимрәк булды. Батарея температурасы да гомуми эшчәнлеккә тәэсир итә, һәм нәтиҗәләр S10 нчы рәсемдә күрсәтелгән. Шулай да, PCEM нигезендәге архитектуралар кубыз кислотасы оксидлашуын тоткарлауда энергия нәтиҗәлелеген сизелерлек яхшырта ала, кубыз кислотасына карата водород сайлап алучанлыгы яхшыртылган анод катализаторлары куллану ашамы яки җайланма эшләве ашамы.
a 60 °C температурада эшләүче H2 электроды, Pt/C анодын һәм 80 мкм AEM кулланып, күзәнәк көчәнешен анализлау. b 200 мА/см2 да төрле анодик деионизацияләнгән су агымы тизлеген кулланып җыелган FE һәм кубыз кислотасы концентрацияләре. c Анод төрле концентрацияләрдә кубыз кислотасын җыйганда, күзәнәк көчәнеше 200 мА/см2 тәшкил итә. Хата сызыклары өч төрле үлчәүнең стандарт тайпылышын күрсәтә. d 0,068 АКШ доллары/кВтс һәм 4,5 АКШ доллары/кг водород милли сәнәгать уртача электр энергиясе бәяләрен кулланып, төрле деионизацияләнгән су агымы тизлекләрендәге күрсәткечләргә бүленгән минималь сату бәясе. (*: Анодта кумырска кислотасының минималь оксидлашу дәрәҗәсе 10 М FA дип фаразлана, ил күләмендә сәнәгать электр энергиясенең уртача бәясе $0,068/кВт/сәг, ә водород $4,5/кг. **: Минималь оксидлашу дәрәҗәсе кумырска кислотасы дип фаразлана. Анодта кумырска кислотасының концентрациясе 1,3 М анод, киләчәктә электр энергиясенең көтелгән бәясе $0,03/кВт/сәг, һәм нокталы сызык 85 авырлык % FA базар бәясен күрсәтә.
5d рәсемендә күрсәтелгәнчә, төрле эш шартларында ягулык җыелмаларының минималь сату бәясен алу өчен техник-икътисади анализ (TEA) үткәрелде. TEA өчен ысуллар һәм мәгълүматларны SIда табарга мөмкин. Анод чыгаруындагы LC концентрациясе югарырак булганда, югарырак элемент көчәнешенә карамастан, аеру бәясе кимү сәбәпле, ягулык җыелмасының гомуми бәясе кими. Әгәр дә формик кислотасының анод оксидлашуын катализатор эшләү яки электрод технологиясе аша минимальләштереп була икән, түбәнрәк элемент көчәнеше (1,66 В) һәм агым суда (10 М) югарырак FA концентрациясе электрохимик FA җитештерү бәясен 0,74 АКШ доллары/кг кадәр (электр энергиясенә нигезләнеп) киметәчәк. бәя) $0,068/кВтс һәм $4,5/кг водород42. Моннан тыш, яңартыла торган электр энергиясенең киләчәк бәясе $0,03/кВтс һәм водород $2,3/кг белән берләштерелгәндә, FA агым сулары максаты 1,3 миллионга кадәр кими, нәтиҗәдә, фаразланган җитештерү бәясе $0,66/кг43 тәшкил итә. Бу хәзерге базар бәяләре белән чагыштырырлык. Шулай итеп, электрод материалларына һәм конструкцияләренә юнәлтелгән киләчәк тырышлыклар анодлашуны тагын да киметергә, шул ук вакытта түбәнрәк элемент көчәнешендә эшләү югарырак LC концентрацияләрен тудырырга мөмкинлек бирергә мөмкин.
Кыскасы, без CO2ны кубыз кислотасына кайтару өчен берничә нуль аралы MEA структурасын өйрәндек һәм барлыкка килгән кубыз кислотасы өчен мембрана массасын күчерү интерфейсын җиңеләйтү өчен перфорацияләнгән катион алмашу мембранасын (PECM) үз эченә алган композит алга таба юнәлтелгән биполяр мембрананы үз эченә алган структура тәкъдим иттек. Бу конфигурация 0,25 М га кадәр концентрацияләрдә (3,3 мл/мин анод DI агым тизлегендә) >96% кубыз кислотасын барлыкка китерә. Югарырак DI агым тизлегендә (25 мл/мин), бу конфигурация 25 см2 күзәнәк мәйданын кулланып 1,7 В көчәнештә 200 мА/см2 >80% FE ток тыгызлыгын тәэмин итте. Уртача анод DI тизлегендә (10 мл/мин), PECM конфигурациясе 200 мА/см2 көчәнештә 55 сәгать сынау дәвамында тотрыклы көчәнешне һәм югары кубыз кислотасы FE дәрәҗәләрен саклады. Коммерциядә кулланыла торган катализаторлар һәм полимер мембрана материаллары белән ирешелгән югары тотрыклылык һәм сайлап алучанлык аларны оптимальләштерелгән электрокатализаторлар белән берләштерү аша тагын да яхшыртыла ала. Киләсе эшләр эш шартларын, анод катализаторының сайлап алучанлыгын һәм MEA структурасын көйләүгә юнәлтеләчәк, бу исә түбәнрәк элемент көчәнешендә күбрәк концентрацияләнгән агым суына китерә. Монда тәкъдим ителгән элемент кислотасы өчен углерод диоксидын куллануның гади ысулы анолит һәм католит камераларына, сэндвич компонентларына һәм махсус материалларга ихтыяҗны бетерә, шуның белән элементның энергия нәтиҗәлелеген арттыра һәм системаның катлаулылыгын киметә, масштаблауны җиңеләйтә. Тәкъдим ителгән конфигурация техник һәм икътисади яктан отышлы CO2 конверсияләү заводларын киләчәктә үстерү өчен платформа бирә.
Башкача күрсәтелмәгән очракта, барлык химик класслы материаллар һәм эреткечләр алынган килеш кулланылды. Висмут оксиды катализаторы (Bi2O3, 80 нм) US Research Nanomaterials, Inc. компаниясеннән сатып алынды. Полимер порошогы (AP1-CNN8-00-X) IONOMR тарафыннан тәэмин ителде. Omnisolv® маркалы N-пропанол (nPA) һәм ультрачиста су (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 су чистарту системасы) Millipore Sigma компаниясеннән сатып алынды. ACS сертификатлы метанол һәм ацетон VWR Chemicals BDH® һәм Fisher Chemical компанияләреннән сатып алынды. Полимер порошогы ацетон һәм метанол катнашмасы белән 1:1 авырлык нисбәтендә кушылып, 6,5 авырлык% концентрациясендә полимер дисперсиясе алынды. 30 мл банкада 20 г Bi2O3, ультрачиста су, nPA һәм иономер дисперсиясен кушып, каталитик буяу әзерләгез. Состав 30% авырлыктагы катализатордан, иономерның катализаторга масса нисбәтеннән 0,02 һәм спиртның су белән масса нисбәтеннән 2:3 (40% авырлыктагы nPA) торган. Катнаштырыр алдыннан, катнашмага 70 г Glen Mills 5 мм цирконий тарту материалы өстәлде. Үрнәкләр Fisherbrand™ санлы шешә роликына 26 сәгать дәвамында 80 әйләнү/мин тизлегендә урнаштырылды. Сөртер алдыннан 20 минут тотыгыз. Bi2O3 буявы Qualtech автоматик аппликаторына (QPI-AFA6800) 22°C температурада 1/2″ x 16″ лаборатория чыбыклы тутыргыч (RD Specialties – 60 миль диаметрлы) кулланып сөртелде. 7,5 x 8 дюймлы Sigraacet 39 BB углерод газы диффузиясе ташучысына (ягулык элементы саклагычы) 5 мл каталитик буяу 55 мм/сек уртача тизлектә таякчык белән утырту юлы белән сөртелде. Бу капланган электродларны мичкә күчерегез һәм 80 °C температурада киптерегез. Стержка белән каплау процессы һәм GDE каплавының рәсемнәре S4a һәм b рәсемнәрендә күрсәтелгән. Рентген флуоресценциясе (XRF) җайланмасы (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) капланган GDE йөкләнешенең 3,0 мг Bi2O3/см2 булуын раслады.
Анион алмашу мембранасын (AEM) һәм перфорацияләнгән CEMны үз эченә алган композит мембрана конфигурацияләре өчен. CEM катламы буларак номиналь калынлыгы 15 мкм булган Nafion NC700 (Chemours, АКШ) кулланылды. Анод катализаторы турыдан-туры FEMга 0,83 иономер-углерод нисбәте һәм каплау мәйданы 25 см2 булган иономер белән сиптерелде. Анод катализаторы буларак зур өслек мәйданы (50 авырлык% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA кыйммәтле металл) белән 0,25 мг Pt/см2 йөкләнешле платина кулланылды. Катализаторның анод катламы өчен иономер буларак Nafion D2020 (Ion Power, АКШ) кулланылды. CEM перфорациясе CEM пленкасында 3 мм интерваллар белән параллель сызыклар кисү юлы белән башкарыла. Перфорация процессы турында мәгълүмат S12b һәм c рәсемнәрендә күрсәтелгән. Рентген компьютер томографиясе ярдәмендә, S12d һәм e рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, перфорация аралыгы 32,6 мкм булуы расланды. Элемент җыю вакытында катализатор белән капланган перфорацияләнгән CEM мембранасы 25 см2 Toray кәгазенә (5 авырлык % PTFE белән эшкәртелгән, Fuel Cell Store, АКШ) урнаштырылды. CEM өстенә, аннары GDE катодына 25, 40 яки 80 мкм калынлыктагы AEM мембранасы (PiperION, Versogen, АКШ) урнаштырылды. AEM мембранасы бөтен агым кырын каплау өчен 7,5 × 7,5 см кисәкләргә киселде һәм җыю алдыннан 1 М калий гидроксиды эремәсендә төнлә чылатылды. Анод та, катод та 18% оптималь GDE кысылуына ирешү өчен җитәрлек калынлыктагы PTFE аралыкларын кулланалар. Батарея җыю процессы турында мәгълүмат S12a рәсемендә күрсәтелгән.
Сынау вакытында җыелган күзәнәк 60 °C температурада тотылды (температурага бәйлелек тикшеренүләре өчен 30, 60 һәм 80 °C), анодка 0,8 л/мин водород газы һәм катодка 2 л/мин углерод диоксиды бирелде. Анодик һәм катод һава агымнары 100% чагыштырма дымлылыкта һәм 259 кПа абсолют катод басымында дымландырылды. Эшләү вакытында катод катализаторы катализаторы катламын куллануны һәм ион үткәрүчәнлеген арттыру өчен катод газы агымы 2 мл/мин тизлектә 1 М KOH эремәсе белән кушылды. Анодта формик кислотасын бетерү өчен анод газы агымын 10 мл/мин тизлектә деионизацияләнгән су белән кушыгыз. Җайланма керү һәм чыгу мәгълүматлары S5 рәсемендә күрсәтелгән. Катодның чыгару газы CO2 үз эченә ала һәм CO һәм H2 барлыкка китерә. Су пары конденсатор аша чыгарыла (2°C температурада түбән температуралы җылылык алмаштыргыч). Калган газ газ вакытын анализлау өчен җыелачак. Анод агымы шулай ук ​​сыеклыкны газдан аеру өчен конденсатор аша узачак. Агым сулар чиста флаконнарда җыелачак һәм җитештерелгән кубыз кислотасын санлаштыру өчен сыеклык хронометриясе ярдәмендә анализланачак. Электрохимик сынаулар Гарми потенциостаты (30K белешмә номеры, Гамри, АКШ) ярдәмендә үткәрелде. Поляризация кәкресен үлчәгәнче, элемент 0 дән 250 мА/см2 га кадәр диапазонда 2,5 мА/см2 сканерлау тизлеге белән сызыклы вольтамперметрия ярдәмендә 4 тапкыр кондицияләнде. Поляризация кәкреләре катод газы һәм анолит сыекчасыннан үрнәк алу алдыннан элемент билгеле бер ток тыгызлыгында 4 минут тотылып, гальваностатик режимда алынды.
Катод һәм анод потенциалларын аеру өчен без MEAда водород эталон электродын кулланабыз. Эталон электродының структурасы S6a рәсемендә күрсәтелгән. MEA мембранасын һәм эталон электродын тоташтыру өчен ион күпере буларак Nafion мембранасы (Nafion 211, IonPower, АКШ) кулланылды. Nafion тасмасының бер очы 29BC углерод кәгазенә сиптерелгән 0,25 мг Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) белән тутырылган 1 см2 газ диффузия электродына (GDE) тоташтырылган (Fuel Cell Store, АКШ). Газны герметизацияләү һәм GDE һәм Nafion тасмалары арасында яхшы контактны тәэмин итү, шулай ук ​​эталон электродын ягулык элементы аппаратына тоташтыру өчен махсус полиэтеретеркетон (PEEK) аппаратурасы кулланыла. Nafion тасмасының икенче очы CEM батареясының чыгып торган кырыена тоташтырылган. S6b рәсемендә MEA белән интеграцияләнгән эталон электродының кисемтәсе күрсәтелгән.
Чыгарылган газ конденсатор һәм газ-сыеклык сепараторы аша үткәннән соң, катодтан газ үрнәкләре алына. Җыелган газ 4900 Micro GC (10 мкм молекуляр элегеч, Agilent) ярдәмендә ким дигәндә өч тапкыр анализланды. Үрнәкләр билгеле бер вакыт эчендә (30 секунд) Supel™ (Sigma-Aldrich) инерт күп катламлы алюминий фольга газ үрнәкләре капчыкларында җыелды һәм җыелганнан соң ике сәгать эчендә кул белән микрогаз хроматографына кертелде. Инъекция температурасы 110°C итеп билгеләнде. Углерод монооксиды (CO) һәм водород (H2) җылытылган (105 °C) басымлы (28 psi) 10 м MS5A колонкасында аргон (Matheson Gas-Matheson Purity) ташучы газ буларак кулланылып аерылды. Бу тоташулар урнаштырылган җылылык үткәрүчәнлеге детекторы (TCD) ярдәмендә ачыклана. GC хроматограммалары һәм CO һәм H2 калибрлау кәкреләре S7 рәсемендә күрсәтелгән. Сыек кумырска кислотасы үрнәкләре анодтан билгеле бер вакыт эчендә (120 секунд) җыелды һәм 0,22 мкм PTFE шприц фильтры ярдәмендә 2 мл флаконнарга фильтрланды. Флаконнардагы сыек продуктлар Agilent 1260 Infinity II биоинерт югары нәтиҗәле сыек хроматография (HPLC) системасы ярдәмендә анализланды, анда 20 мкл үрнәк 4 мМ күкерт кислотасы (H2SO4) хәрәкәтчән фазасы белән автосамплер (G5668A) аша 0,6 мл/мин агым тизлегендә кертелде (дүртенчел насос G5654A). Продуктлар җылытылган (35°C, колонкалы мич G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7,8 мм (Bio-Rad) мичендә Micro-Guard Cation H саклагыч колонкасы белән аерылды. Кумырска кислотасы диод массивы детекторы (DAD) ярдәмендә ачыкланды. 210 нм дулкын озынлыгында һәм 4 нм полоса киңлегендә. HPL хроматограммасы һәм кумурска кислотасының стандарт калибрлау кәкресе S7 нче рәсемдә күрсәтелгән.
Газ продуктлары (CO һәм H2) FE түбәндәге тигезләмә ярдәмендә исәпләнә, ә газның гомуми мольләре идеаль газ тигезләмәсе ярдәмендә исәпләнә:
Алар арасында: \({n}_{i}\): электрохимик реакциядәге электроннар саны. \(F\): Фарадей даимисе. \({C}_{i}\): HPLC сыек продукт концентрациясе. \(V\): билгеләнгән вакыт эчендә җыелган сыеклык үрнәге күләме t. \(j\): ток тыгызлыгы. \(A\): Электродның геометрик мәйданы (25 см2). \(t\): үрнәк алу вакыты. \(P\): абсолют басым. \({x}_{i}\): GC белән билгеләнгән газның моль проценты. \(R\): газ даимисе. \(T\): температура.
Анод катионнарының концентрациясе индуктив бәйләнешле плазма атом-эмиссия спектроскопиясе (ICP-OES) ярдәмендә санлаштырылды. Анодка үтеп керергә яки диффузияләнергә мөмкин булган катионнарга Ti, Pt, Bi һәм K керә. K дан кала, башка барлык катионнар да ачыклау чигеннән түбән иде. Эретмәдә ионнар барлыкка китерегез, анодны протоннар яки башка катионнар белән парлаштырыгыз. Шуңа күрә, кумырска кислотасының сафлыгын түбәндәгечә исәпләргә мөмкин
Формат/FA җитештерү билгеле бер MEA конфигурациясен кулланып кулланылган бер кВт/сәг электр энергиясенә җитештерелгән FA күләмен күрсәтә, моль/кВт/сәг. Ул ток тыгызлыгына, күзәнәк көчәнешенә һәм билгеле бер эш шартларында Фарадей нәтиҗәлелегенә нигезләнеп исәпләнә.
Анодта оксидлаштырылган кубыз кислотасы күләмен гомуми масса балансына нигезләнеп исәпләгез. Катодта өч көндәш реакция бара: водород бүленеп чыгу, CO2 ның CO га кадәр редукциясе һәм CO2 ның кубыз кислотасына кадәр редукциясе. Антонда кубыз кислотасының оксидлашу процессы булганлыктан, кубыз кислотасы FE ике өлешкә бүленергә мөмкин: кубыз кислотасы җыю һәм кубыз кислотасының оксидлашуы. Гомуми масса балансын түбәндәгечә язарга мөмкин:
Без HPLC ярдәмендә җыелган кумырска кислотасы, водород һәм CO күләмен саннар белән билгеләү өчен GC кулландык. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, кумырска кислотасының күпчелек өлеше S5 өстәмә рәсемендә күрсәтелгән җайланма ярдәмендә анодтан җыелган. Катод камерасыннан җыелган формат күләме бик аз, якынча ике тапкыр кимрәк һәм SC гомуми күләменең 0,5% тан кимрәк тәшкил итә.
Монда кулланылган өзлексез транспорт моделе охшаш системалар буенча элеккеге эшләргә нигезләнгән34. Электрон һәм ионлы үткәрүчән фазаларда су концентрациясен һәм электростатик потенциалны билгеләү өчен Пуассон-Нерст-Планк (PNP) тигезләмәләренең тоташтырылган системасы кулланыла. Төп тигезләмәләр һәм модель геометриясе турында җентекле күзәтү SIда бирелгән.
Бу система сигез сулы матдәнең концентрациясен билгели (\({{{{{{{\rm{C}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2 \left ({{{{{\rm{aq}}}}}}\right)}\), \({{{{{\rm{H}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{\rm{HCOOH}}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}}^{- }\) һәм \({{{ {{\rm{K}}}}}}^{+}\)), ион үткәрүче фазадагы электростатик потенциал (\({\phi }_{I}\ )) һәм анод һәм катод электрон үткәрүчәнлеге. Фазалардагы электростатик потенциаллар (\({\phi }_{A}\) һәм \({\phi }_{C}\) тиешенчә). Киресенчә, локаль электр нейтральлеге дә, заряд бүленеше функцияләре дә гамәлгә ашырылмый, киңлек заряд өлкәсе турыдан-туры Пуассон тигезләмәсе ярдәмендә чишелә; Бу ысул безгә CEM|AEM, CEM|Pore һәм AEM|Pore интерфейсларында Доннан этәрү эффектларын турыдан-туры модельләштерергә мөмкинлек бирә. Моннан тыш, катализаторның анод һәм катод катламнарындагы заряд ташуны тасвирлау өчен күзәнәкле электрод теориясе (PET) кулланыла. Авторларның белүенчә, бу эш күп киңлек заряд өлкәләре булган системаларда PETның беренче кулланылышын күрсәтә.
GDE BOT һәм EOT катод үрнәкләре 8,0 кэВ рентген чыганагы, абсорбция һәм киң кыр режимнары, шулай ук ​​сурәтләрне берләштерү1 белән Zeiss Xradia 800 Ultra кулланып тикшерелде. 901 сурәт -90° тан 90° ка кадәр 50 секунд экспозиция вакыты белән җыелды. Реконструкция 64 нм воксель зурлыгындагы кире проекция фильтры ярдәмендә башкарылды. Сегментация һәм кисәкчәләр зурлыгы бүленешен анализлау махсус язылган код ярдәмендә башкарылды.
Электрон микроскопик характеристика сынау MEAларын эпоксид сумаласына урнаштыруны үз эченә ала, бу алмаз пычак белән ультра нечкә кисемтәләргә әзерләнә. Һәр MEA кисемтәсе 50 дән 75 нм га кадәр калынлыкта киселгән. Сканерлаучы трансмиссия электрон микроскопиясе (STEM) һәм энергия таратучы рентген спектроскопиясе (EDS) үлчәүләре өчен Talos F200X трансмиссия электрон микроскопы (Thermo Fisher Scientific) кулланылган. Микроскоп 4 тәрәзәсез SDD детекторлы EDS Super-X системасы белән җиһазландырылган һәм 200 кВ көчәнештә эшли.
Порошок рентген дифракция үрнәкләре (PXRD) 40 кВ һәм 40 мА көчәнештә эшли торган Ni-фильтрланган Cu Kα нурланышы белән Bruker Advance D8 порошок рентген дифрактометрында алынган. Сканерлау диапазоны 10° тан 60° ка кадәр, адым зурлыгы 0,005°, ә мәгълүмат җыю тизлеге адым саен 1 секунд.
Bi2O3 Bi L3 катализаторы кырыендагы RAS спектры өйдә ясалган күзәнәк ярдәмендә потенциал функциясе буларак үлчәнде. Bi2O3 каталитик иономер буявы 26,1 мг Bi2O3 156,3 мкл иономер эремәсе (6,68%) белән кушылып әзерләнде һәм иономер буявы алу өчен 1 М KOH, су (157 мкл) һәм изопропил спирты (104 мкл) белән нейтральләштерелде. Катализатор коэффициенты 0,4 тәшкил итә. Буяу турыпочмаклы нокталардагы (10 × 4 мм) графен битләренә Bi2O3 катализаторы йөкләнеше 0,5 мг/см2 га җиткәнче сөртелде. Графен битенең калган өлеше бу өлкәләрне электролиттан аеру өчен Kapton белән капланды. Катализатор белән капланган графен бите ике PTFE арасына кертелде һәм күзәнәк корпусына винтлар белән беркетелде (PEEK), S8 рәсем. Hg/HgO (1 М NaOH) эталон электрод булып хезмәт итте, ә углерод кәгазе каршы электрод булып хезмәт итте. Hg/HgO эталон электроды, үлчәнгән барлык потенциалларны кире кайтарыла торган водород электроды (RHE) шкаласына әйләндерү өчен, водород белән туендырылган 0,1 М KOH эремәсенә чумдырылган платина чыбык ярдәмендә калибрланган. Рентген-рефлекс спектрлары 30 °C кадәр җылытылган 0,1 М KOH эремәсенә чумдырылган Bi2O3/графен катламлы эш электродының потенциалын күзәтү юлы белән алынган. Электролит батареяда әйләнә, электролит керү урыны элементның аскы өлешендә, ә чыгу урыны өске өлешендә була, күбекләр барлыкка килгәндә электролит катализатор катламы белән бәйләнештә булуын тәэмин итү өчен. Эш электроды потенциалын контрольдә тоту өчен CH Instruments 760e потенциостаты кулланылган. Потенциаль эзлеклелек ачык схема потенциалы иде: RHEга карап -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 һәм +700 мВ. Барлык iR потенциаллары да көйләнгән.
Bi L3 кырые (Bi металл өчен ~13424 эВ) рентген нурларын сеңдерү нечкә структурасы (XAFS) спектроскопиясе 10-ID каналында, Advanced Photon Source (APS), Argonne National Fluorescence Laboratory'да башкарылды. Милли модель үлчәү лабораториясе. Рентген энергиясен көйләү өчен сыек азот белән суытылган ике кристалллы Si(111) монохроматор кулланылды, ә гармоник эчтәлекне киметү өчен родий белән капланган көзге кулланылды. Сканерлау энергияләре 13200 дән 14400 эВ га кадәр үзгәрде, һәм флуоресценция фильтрларсыз яки Soller ярыклары булмаган 5 × 5 кремний PIN диод массивы ярдәмендә үлчәнде. Икенче чыгарылманың нуль кисешү энергиясе Pt фольгасының L2 кырые аша 13271,90 эВ калибрлана. Электрохимик күзәнәкнең калынлыгы аркасында, эталон стандартының спектрын бер үк вакытта үлчәү мөмкин булмады. Шулай итеп, тәҗрибә дәвамында кабатланган үлчәүләргә нигезләнеп, төшкән рентген энергиясенең исәпләнгән сканердан сканерга үзгәреше ±0,015 эВ тәшкил итә. Bi2O3 катламының калынлыгы флуоресценциянең билгеле бер дәрәҗәдә үз-үзен йотуына китерә; электродлар төшкән нурга һәм детекторга карата билгеле бер юнәлешне саклыйлар, бу барлык сканерлауларны да диярлек бер үк итә. Athena программасының сызыклы комбинацияләү алгоритмын (0.9.26 версиясе) кулланып, Bi һәм Bi2O3 стандартларының XANES өлкәсе белән чагыштырып, висмутның оксидлашу дәрәҗәсен һәм химик формасын билгеләү өчен якын кырлы XAFS спектры кулланылды. IFEFFIT 44 коды буенча.
Бу мәкаләдәге саннарны раслаучы мәгълүматлар һәм бу тикшеренүнең башка нәтиҗәләре тиешле автордан акылга сыярлык үтенеч буенча алырга мөмкин.
Крэндалл Б.С., Брикс Т., Вебер Р.С. һәм Цзяо Ф. Яшел мохит белән тәэмин итү чылбырларының техник-икътисади бәяләмәсе H2. Энергия ягулыклары 37, 1441–1450 (2023).
Юнас М, Резаказеми М, Арбаб М.С., Шах Дж һәм Рехман В. Яшел водородны саклау һәм китерү: югары актив гомоген һәм гетероген катализаторлар кулланып, кубыз кислотасын дегидрогенлаштыру. халыкаралык. Дж. Гидрог. Энергия 47, 11694–11724 (2022).
Ни, Р. һ.б. Гетероген күчеш металл катализаторлары өстендә кубыз кислотасын каталитик күчерү гидрогенизациясендә соңгы алгарыш. AKS каталогы. 11, 1071–1095 (2021).
Рахими, А., Ульбрих, А., Кун, Дж.Дж., һәм Шталь, СС. Оксидлаштырылган лигнинның ароматик кушылмаларга кадәр деполимерлашуы аркасында формик кислотасы тәэсирендә барлыкка килгән. Nature 515, 249–252 (2014).
Schuler E. һ.б. Формик кислотасы CO2 куллану өчен төп арадаш матдә булып хезмәт итә. яшел. Химик. 24, 8227–8258 (2022).
Чжоу, Х. һ.б. Углеводлар һәм лигнин күләмен гомуми арттыру өчен агым аша үтүче кумурска кислотасын кулланып, биомассаны тиз җимерми торган фракцияләү (≤15 мин). Химия һәм химия 12, 1213–1221 (2019).
Калви, Ч.Х. һ.б. Адаптив лаборатория эволюцион мәгълүмат инженериясен кулланып, форматта Cupriavidus necator H16 үсешен көчәйтү. Метаболитлар. инженер. 75, 78–90 (2023).
Ишай, О. һәм Линднер, С.Н. Гонсалес де ла Круз, Дж., Тененбойм, Х. һәм Бар-Эвен, А. Форматларның биоикътисады. хәзерге. Фикер. Химик. биология. 35, 1–9 (2016).