Tradycyjna nagroda Metrohm Poster Award została po raz pierwszy wręczona 29 lat temu na Konferencji Chemii Elektroanalitycznej (ELACH). Ta tradycja trwa do dziś na Konferencji Elektrochemicznej w Berlinie w Niemczech. Niedawno przyznano tę nagrodę na targach Electrochemistry 2022. Po doskonałej jakości pandemią COVID-19, Electrochemistry 2022 może być właściwa w Berlinie pod hasłem „Na styku chemii i fizyki”. Podczas tej konferencji nauk z różnych dziedzin elektrochemii omawiają przyszłe trendy i zastosowania. Ponad 600 osób zebrało się, aby śledzić o tematach badawczych w dziedzinie magazynowania energii, elektrokatalizy, łączyć CO₂, bioelektrochemii, elektrosyntezy, korozji, fotoelektrochemii, analityki elektrochemicznej i technologii czujników.

Laureaci nagród Metrohm Poster Award 2022

Spośród ponad 300 zaprezentowanych plakatów komisja posterowa, w skład którego wchodzą członkowie panelu naukowego, wybrano dwa najlepsze. Obie nagrody plakatowe po 500 euro każdej i odebrane podczas jednego dnia Ceremonii wręczenia nagród. 

Dziesięć artykułów dotyczy badań jednego z dwóch zwycięzców, dr Gumaa A El-Nagar. Plakat dr El-Nagar'a nosił tytuł: «Wpływ krzyżowania kationów przez membrany anionowymienne na działanie CO o zerowej przerwie₂ elektrolizery».

Emisja CO₂ i globalne ocieplenie 

Od czasu rewolucji przemysłowej ziemska stabilnago wzrostu poziomu węgla (CO₂), gdzie działa jak gaz cieplarniany, zatrzymując ciepło i zachowując się do globalnego ocieplenia. Ten wzrost CO₂ przede wszystkim z działalności antropogenicznej — zasady ze spalania paliw kopalnych w celu pozyskiwania energii. Zmiany charakterystyczne są charakterystyczne dla ludzkości, dlatego jeśli wystąpią pewne „punkty krytyczne”, co doprowadzi do nieodwracalnych zmian [1]. 

Zajęcie się tym wywołaniem będzie wymagało szybkiego i wprowadzenia zmiany systemu. Wiązałoby się z przejściem na odnawialne źródło energii (np. źródło energii słonecznej i wiatrowej) oraz odkrycie przemysłu na nowo, aby osiągnąć się «neutralny pod względem instalacji węgla», co oznacza, że dodatkowy bez dodatkowego CO₂ robić widoczne. Obecnie nasze społeczeństwo jest w znacznym stopniu zależne od chemikaliów i paliw składników na węglu, które w znacznym stopniu przyczyniają się do wykorzystania paliw kopalnych. W przemyśle chemicznym odpowiada za około 7% średnie wydzielanie gazów cieplarnianych i 10% średniego zużycia energii [2]. Dlatego opracowanie tras syntezy chemikaliów zasilanych odnawialnymi źródłami energii jest krytycznym źródłem.

Osiągnięcie neutralności pod względem zużycia węgla będzie wymagało włączenia wydobywania węgla z ziemi, a zamiast tego opracowania technologii recykling węgla, który jest już dostępny. Atrakcyjnym źródłem węgla jest CO₂ sam w sobie, który mógłby przechwycony ze źródeł stacjonarnych (np. fabrykę lub elektrownię) lub z powietrza, a następnie dokładnie zobaczyć w wytworach chemikalia i paliwa. Takie podejście mogłoby zostać podjęte zarówno w zapobieganiu dalszym mu CO₂ emisje i dostarczamy chemikalia na działanie węgla, na których polegamy.

Elektrochemiczna konwersja CO₂

Podczas spalania paliwa w celu uwolnienia energii powstaje CO₂, konwersja CO₂ z powrotem w wartościowe towary wymaga wkładu energii. Jeden ze sposobów na to jest używany elektrochemii wzbudzone odnawialnymi źródłami energii. Dzięki tej technice elektryczność ułatwia etapy zrywania i tworzenia wiązań, które powodują CO₂ na różne ważne małe cząsteczki, takie jak węglowodory (np. etylen, etan, metan) i utleniacze (np. etanol, metanol, propanol, oktan, mrówczan), które można wykorzystać jako substancje chemiczne i paliwa. Konwencjonalne metody syntezy tych chemikaliów zwykle obejmują wysoką temperaturę i ciśnienie, podczas gdy elektrochemiczne można stosować w sytuacjach trudnych, z CO₂, woda i elektryczność jako jedyne wkłady.

Obiecująco się elektrochemiczny CO₂ (eCO₂R) jednak sprawdza się ona z wyzwaniami w zakresie stabilności, selekcji i tempa produkcji. Na Helmholtz-Zentrum w Berlinie, dr El-Nagar i jego współpracownicy pomocnicy nad pokonaniem trudności w zakresie eCO₂R z ich badaniami nad projektowaniem nowych materiałów katalitycznych, stosując spektroskopii do badań reakcji i badania różnych parametrów elektrolizerów, które mogą generować cenne produkty chemiczne z praktyczną szybkością.

Jeśli chodzi o ten ostatni punkt, aby zasilić CO₂ sprawdź elektrody z szybkością – wykonaj w ten sposób wykorzystania mocy o składnik przemysłowym – naukowcy badają wykorzystanie elektrod dyfuzyjnych (GDE) do tego zastosowania [3]. Ogólnie rzecz biorąc, eCO opiera się na GDE₂Ogniwo R składa się z anody, katody i elektrolitu. Te ostatnie mogą zawierać membranę jonowymienną przeznaczoną do nadawania selektywności transportowi jonów przez urządzenie. Opracowanie katody bezpośrednio z membraną (bez szczeliny dostarczającego elektrolity) zapewnia tak zwaną konfigurację „zero-gap”, zwaną również zespołem elektrody membranowej (MEA). Ta konfiguracja, przedstawiona w Rysunek 1, pomaga wspomagać straty rezystancyjne, a tym samym maksymalizuje wydajność ogniwa przy obecnych prądach [4]. Jeśli chodzi o wybór membrany, to jest ogólnie obserwowane w MEA eCO₂R bada, że katalizatory są połączone z membranami anionowymi (AEM) lepiej sprawdza się do tłumienia tempa porównawczej i mechanicznej reakcji wydzielania kwasu.

badający te typy komórek pod kątem eCO₂W zastosowaniu R często obserwuje się wspólny problem: urządzenie może działać stabilnie przez jakiś czas, ale wydajność zaczyna spadać, czemu towarzyszy utrudniony przepływ gazu. Po zatrzymaniu reakcji i wejściu celi często się dzieje, że w ścieżce przepływu gazu i na GDE wykrywają się kryształy soli (Rysunek 2). Sole te to węglany i wodorowęglany metali alkalicznych w reakcjach chemicznychj CO₂ gaz z alkalicznym elektrolitem. Ze względu na to, że środowisko alkaliczne powstaje na katodzie elektrolizera podczas pracy przy wysokim poziomie prądu, takie zachowanie stanowi potencjalne źródło dla projektu eCO skutecznego na GDE₂Reaktorium R. Dzięki pogorszeniu wydajności z tworzenia się soli, uzyskuje się również niski poziom CO₂ wydajność konwersji, jak znaczna ilość CO₂ jest tracone w tej reakcji chemicznej [5].

„Cation crossover” przez membrany anionowemienne (AEM)

Jak wynika z powyższego, jest to bardzo powszechne podczas badań związanych z eCO₂R z komórkami MEA, obserwuje się osady komórek potas, które często powodują wydzielanie komórek. Zaproponowano różne strategie minimalizowania tego problemu, w tym okresowe płukanie elektrody, pulsowanie skuteczności substancji lub modyfikację membrany.[6]. Jednak wiele badań nie rozwiązało podstawowego problemu: kationy łatwo przechodzą przez AEM w warunkach towarzyszących. To dziwne, że dr El-Nagar i jego zespół zaczęli się zastanawiać, dlaczego AEM nie wyklucza skutecznie kationów (do czego jest to konieczne) i jakie są skutki tego zachowania. Być może dzięki udoskonalonemu zrozumieniu tego zachowanie zapewnia środki łagodzenia skutków niezamierzonego krzyżowania kationów - cation crossover.

W opublikowanym wydaniu pt Komunikacja natury [7], grupa dr El-Nagara przetestowała szereg różnych stężeń elektrolitów. Spodziewali się, że będą musieli prowadzić do mniejszego stopnia krzyżowania się kationów, zmniejszając możliwość tworzenia się soli węglanowych na katodzie. Grupa zaobserwowana, że to powoduje powstanie elektrolitu wydajności 0,1 mol/l lub mniejsze oddziaływanie składu i wytrącania się soli i degradacji wydajności, podczas gdy dodanie efektu powoduje efekt pracy urządzenia bez tworzenia się soli. Podczas badania zespołu odchylenia odkrycia podczas obniżania współczynnika — nagromadzeniu się selektywności produktu!

Jak dowiedziałem się w Rysunek 3, eksperymenty z zastosowaniem zaawansowanych stężonych anolitów KOH, aby uzyskać wytworzenie substancji podstawowej C₂₊ produkty (głównie etylen), co jest produktem pochodzenia na elektrokatalizatorach miedzianych. Jednakowoż przy właściwościach metalurgii produkcji produktów wielowęglowych prawie zanikła, odzyskana przez generowanie tlenku węgla (CO) z prawie 80% wydajnością faradajską (FE). Doprowadziło to, że zespół wysnuł wniosek, że kationy elektrolitów, które nieumyślnie przechodzą przez membrany anionowemienne, mogą przyczynić się do elektrokatalitycznego CO₂ selektywność konwersji, a nawet w ogniwach MEA z zerową przerwą bez bezpośredniegogo źródła elektrolitu na katodzie.

Pomiary kationów kontaktujących się do katody chemicznej, że stopień krzyżowania się jonów jest bezpośrednio skorelowany ze skutkiem anolitu – zachowanie to może powodować efekt wykluczenia. takie zachowanie prawdopodobnie nie jest zaskoczeniem dla ekspertów od membran jonowych,₂ R: nie należy uważać, że AEM będzie bardzo skuteczny w blokowaniu kationów elektrolitów przy użyciu stężonych elektrolitów, a selektywność reakcji może być bardzo wrażliwa na te kationy docierające do katody.

Zrozumienie i kontrolowanie selektywności produktów

Kontrola nad selektywnością produktów do jednego z kryteriów oceny w eCO₂R. Niniejsze badanie badaniao, w jaki sposób można zastosować wpływ na selektywność, po prostu dostosowując je do elektrolitu, nawet w przypadku ustawienia MEA bez dodatku dodatku dodatku elektrolitu na katodzie. Obserwacje zużywają, że kationy metali alkalicznych, takie jak K⁺ Dopiero kluczową drogą w dyktowaniu szlaku reakcji eCO₂R, przekierowanie od tego, czy prowadzenie drogą dwuelektronową, tworzenie CO, czy też prowadzenie w kierunku dalszych przekierowanych produktów z tworzeniem wiązań CC. Kiedy inni w dziedzinie badań wykazali znaczenie kationów w wodnych roztworach eCO₂R [8,9], w tym poprawieniu, że efekty te są również wymagane w ustawieniach komórek.

Z elektrochemicznego CO można wytworzyć wiele różnych produktów z elektrochemcinej konwersji CO₂ , odsunięty z węgla węglem C_1, (np. tlenek węgla, mrówczan) do wielowęglowych (C₂₊) produktów (np. węglowodory, oksygenaty). Miedź, katalizator używany w tym systemie, jest wyjątkowy jako specjalny system wspomagający, aby włączyć CO₂ zrobić jak C₂₊ o kolejnych szybkościach reakcji. Ponieważ jednak Cu ma zastosowanie do opracowania poszczególnych wielu różnych produktów jednocześnie, zbadanie metody analizy, które mogą kontrolować selektywność jego produktu [10]. Wyniki badań naukowych pokazują, że w komórkach MEA z "zero-gap" działanie kationów metali alkalicznych jest podstawą do aktywacji C₂₊ ścieżki produktów, ale to samo, że urządzenie będzie działać na wytrącanie się soli i awarie. Kiedy K⁺ W rezultacie powstaje połączenie między selektywnością a stabilnością, które należy wziąć pod uwagę przy opracowywaniu reaktorów.

jednak, mimo że ciężko pracuje i zaprojektowaniem urządzeń, które umożliwiają uzyskiwanie plonów przez C₂₊, ostatnia analiza techniczno-ekonomiczna, że C₁ produkty (np. CO) wytwarzane elektrochemicznie są prawdopodobnie najbardziej efektywne ekonomicznie w stosunku do konwencjonalnych metod produkcji [11,12]. Przedstawiono tutaj wyniki, że pojawienie się w ziemi miedź może być wykorzystane jako generator do produkcji CO – zastosowanie alternatywne dla katalizatorów ze srebra i złota, zwykle występujące w tej reakcji.