Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De ferzje fan 'e browser dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe. Foar de bêste resultaten riede wy oan dat jo in nijere ferzje fan jo browser brûke (of de kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer útskeakelje). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, werjaan wy de side sûnder styling of JavaScript.
Elektrochemyske reduksje fan koalstofdiokside ta mierensoer is in beloftefolle manier om it gebrûk fan koalstofdiokside te ferbetterjen en hat potinsjele tapassingen as in wetterstofopslachmedium. Yn dit wurk wurdt in membraanelektrode-assemblage-arsjitektuer mei nul gatten ûntwikkele foar de direkte elektrochemyske synteze fan mierensoer út koalstofdiokside. In wichtige technologyske foarútgong is it perforearre kationútwikselingsmembraan, dat, as it brûkt wurdt yn in foarút biasearre bipolare membraankonfiguraasje, mierensoer dat foarme wurdt by de membraanynterface troch it anodyske streamfjild ferpleatst wurde kin yn konsintraasjes sa leech as 0,25 M. Sûnder ekstra sandwichkomponinten tusken de anode en katode is it doel fan it konsept om besteande batterijmaterialen en ûntwerpen te brûken dy't gewoan binne yn brânstofsellen en wetterstofelektrolyse, wêrtroch in rapper oergong nei opskaling en kommersjalisaasje mooglik is. Yn in sel fan 25 cm2 leveret de perforearre kationútwikselingsmembraankonfiguraasje >75% Faraday-effisjinsje foar mierensoer by <2 V en 300 mA/cm2. Wichtiger is dat in 55-oere stabiliteitstest by 200 mA/cm2 stabile Faraday-effisjinsje en selspanning liet sjen. In techno-ekonomyske analyze wurdt brûkt om manieren te yllustrearjen om kostenpariteit te berikken mei hjoeddeistige metoaden foar produksje fan mierensoer.
Elektrochemyske reduksje fan koalstofdiokside ta mierensoer mei gebrûk fan duorsume elektrisiteit is oantoand om de produksjekosten mei maksimaal 75% te ferminderjen yn ferliking mei tradisjonele metoaden op basis fan fossile brânstoffen. Lykas oanjûn yn 'e literatuer2,3, hat mierensoer in breed skala oan tapassingen, fan in effisjinte en ekonomyske manier om wetterstof op te slaan en te transportearjen oant in feedstock foar de gemyske yndustry4,5 of de biomassa-yndustry6. Mierensoer is sels identifisearre as in feedstock foar lettere konverzje yn duorsume tuskenprodukten fan jetbrânstof mei help fan metabolike technyk7,8. Mei de ûntwikkeling fan mierensoerekonomy1,9 hawwe ferskate ûndersykswurken har rjochte op it optimalisearjen fan katalysatorselektiviteit10,11,12,13,14,15,16. In protte ynspanningen bliuwe lykwols rjochte op lytse H-sellen of floeibere streamsellen dy't wurkje by lege stroomtichtheden (<50 mA/cm2). Om kosten te ferminderjen, kommersjalisaasje te berikken en de folgjende merkpenetraasje te fergrutsjen, moat elektrochemyske koalstofdioksidereduksje (CO2R) útfierd wurde by hege stroomtichtens (≥200 mA/cm2) en Faraday-effisjinsje (FE)17, wylst it materiaalbenutting maksimalisearre wurdt en batterijkomponinten út 'e technology brûkt wurde. Brânstofsellen en wetterelektrolyse tastean CO2R-apparaten om te profitearjen fan skaalfoardielen18. Derneist, om it nut fan produksje te fergrutsjen en ekstra downstream-ferwurking te foarkommen, moat mierensoer brûkt wurde as it einprodukt ynstee fan formatsâlt19.
Yn dizze rjochting binne resinte ynspanningen dien om yndustrieel relevante gasdiffusie-elektrode (GDE)-apparaten te ûntwikkeljen op basis fan CO2R-formaat/mieresoer. In wiidweidige resinsje troch Fernandez-Caso et al.20 jout in gearfetting fan alle elektrogemyske selkonfiguraasjes foar de trochgeande reduksje fan CO2 ta mieresoer/formaat. Yn 't algemien kinne alle besteande konfiguraasjes wurde ferdield yn trije haadkategoryen: 1. Trochstreamkatholyten19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Ien membraan (katioenútwikselingsmembraan (CEM)28 of anionútwikselingsmembraan (AEM)29 en 3. Sandwichkonfiguraasje15,30,31,32. Fereinfâldige dwerssneden fan dizze konfiguraasjes wurde werjûn yn figuer 1a. Foar de streamkonfiguraasje fan 'e katolyt wurdt in elektrolytkeamer makke tusken it membraan en de katode fan 'e GDE. Trochstreamkatholyt wurdt brûkt om ionkanalen te meitsjen yn 'e katodelaach fan' e katalysator33, hoewol de needsaak foar it kontrolearjen fan formateselektiviteit debattearre wurdt34. Dizze konfiguraasje waard lykwols brûkt troch Chen et al. Mei in SnO2-katode op in koalstofsubstraat mei in 1,27 mm dikke katolytlaach waard oant 90% FE35 by 500 mA/cm2 berikt. De kombinaasje fan in dikke katolytlaach en In omkearde-foarspanning bipolare membraan (BPM) dy't ionenoerdracht beheint, leveret in wurkspanning fan 6 V en in enerzjy-effisjinsje fan 15%. Om de enerzjy-effisjinsje te ferbetterjen, berikten Li et al., mei in inkele CEM-konfiguraasje, in FE 29 fan 93,3% by in fraksjonele stroomtichtens fan 51,7 mA/cm2. Diaz-Sainz et al.28 brûkten in filterparse mei in inkele CEM-membraan by in stroomtichtens fan 45 mA/cm2. Alle metoaden produsearren lykwols formiaat ynstee fan it foarkommende produkt, mierensoer. Neist ekstra ferwurkingseasken kinne yn CEM-konfiguraasjes formaten lykas KCOOH fluch opstapelje yn 'e GDE en streamfjild, wêrtroch transportbeperkingen en úteinlik selfalen ûntsteane.
Ferliking fan 'e trije meast promininte konfiguraasjes fan CO2R nei formiaat/mierensoer-konverzje-apparaten en de arsjitektuer dy't yn dizze stúdzje foarsteld wurdt. b Ferliking fan totale stroom en formiaat/mierensoer-opbringst foar katholytkonfiguraasjes, sandwichkonfiguraasjes, ienige CEM-konfiguraasjes yn 'e literatuer (werjûn yn Oanfoljende Tabel S1) en ús wurk. Iepen marken jouwe de produksje fan formiaatoplossing oan, en fêste marken jouwe de produksje fan mierensoer oan. *Konfiguraasje werjûn mei wetterstof by de anode. c MEA-konfiguraasje mei nul gat mei in gearstalde bipolare membraan mei in perforearre kationútwikselingslaach dy't wurket yn foarút bias-modus.
Om formatefoarming te foarkommen, brûkten Proietto et al. 32 in splitleaze filterparsekonfiguraasje wêryn deionisearre wetter troch de tuskenlaach streamt. It systeem kin >70% CE berikke yn it stroomtichtensberik fan 50–80 mA/cm2. Op deselde wize stelden Yang et al. 14 it gebrûk foar fan in fêste elektrolyt-tuskenlaach tusken de CEM en AEM om de foarming fan mierensoer te befoarderjen. Yang et al. 31,36 berikten 91,3% FE yn in sel fan 5 cm2 by 200 mA/cm2, wêrtroch in oplossing fan 6,35 gewichtsprosent mierensoer ûntstie. Xia et al. Mei in ferlykbere konfiguraasje waard 83% konverzje fan koalstofdiokside (CO2) nei mierensoer FE berikt by 200 mA/cm2, en de duorsumens fan it systeem waard 100 oeren en 30 minuten testen. Hoewol resultaten op lytse skaal beloftefol binne, meitsje de ferhege kosten en kompleksiteit fan poreuze ionútwikselingsharsen it lestich om tuskenlaachkonfiguraasjes te skalearjen nei gruttere systemen (bygelyks 1000 cm2).
Om it netto-effekt fan 'e ferskate ûntwerpen te visualisearjen, hawwe wy de produksje fan formaat/mierezuur per kWh foar alle earder neamde systemen yn tabelfoarm werjûn en se yn figuer 1b werjûn. It is hjir dúdlik dat elk systeem mei in katolyt of tuskenlaach syn prestaasjes sil piekje by lege stroomdichtheden en degradearje by hegere stroomdichtheden, wêrby't de ohmske limyt de selspanning kin bepale. Boppedat, hoewol de enerzjy-effisjinte CEM-konfiguraasje de heechste molêre mierezuurproduksje per kWh leveret, kin sâltopbou liede ta rappe prestaasjefermindering by hege stroomdichtheden.
Om de earder besprutsen falingsmodi te ferminderjen, hawwe wy in membraanelektrode-assemblage (MEA) ûntwikkele mei in gearstalde foarút biased BPM mei in perforearre kationútwikselingsmembraan (PCEM). De arsjitektuer wurdt werjûn yn figuer 1c. Wetterstof (H2) wurdt yn 'e anode ynfierd om protonen te generearjen fia in wetterstofoksidaasjereaksje (HOR). In PCEM-laach wurdt ynfierd yn it BPM-systeem om formatioanen dy't by de katode generearre wurde troch de AEM te litten gean, te kombinearjen mei protonen om mierensoer te foarmjen by de BPM-ynterface en ynterstitiële poaren fan 'e CEM, en dan út te gean troch de GDE-anode en streamfjild. Mei dizze konfiguraasje berikten wy >75% FE fan mierensoer by <2 V en 300 mA/cm2 foar in selgebiet fan 25 cm2. It wichtichste is dat it ûntwerp gebrûk makket fan kommersjeel beskikbere komponinten en hardware-arsjitektueren foar brânstofsel- en wetterelektrolyse-ynstallaasjes, wêrtroch in fluggere skaleartiid mooglik is. Katolytkonfiguraasjes befetsje katolytstreamkeamers dy't in drukûnbalâns kinne feroarsaakje tusken de gas- en floeistoffazen, foaral yn gruttere selkonfiguraasjes. Foar sandwichstrukturen mei poreuze lagen fan floeistofstream binne wichtige ynspanningen nedich om de poreuze tuskenlaach te optimalisearjen om drukfal en koalstofdiokside-ophoping yn 'e tuskenlaach te ferminderjen. Beide kinne liede ta fersteuring fan sellulêre kommunikaasje. It is ek lestich om frijsteande tinne poreuze lagen op grutte skaal te produsearjen. Yn tsjinstelling, de foarstelde nije konfiguraasje is in MEA-konfiguraasje mei nul gat dy't gjin streamkeamer of tuskenlaach befettet. Yn ferliking mei oare besteande elektrogemyske sellen is de foarstelde konfiguraasje unyk om't it direkte synteze fan mierensoer mooglik makket yn in skalbere, enerzjy-effisjinte konfiguraasje mei nul gat.
Om wetterstofûntwikkeling te ûnderdrukken, hawwe grutskalige CO2-reduksjepogingen MEA- en AEM-membraankonfiguraasjes brûkt yn kombinaasje mei elektrolyten mei hege molêre konsintraasje (bygelyks 1-10 M KOH) om alkaline omstannichheden by de katode te meitsjen (lykas te sjen yn figuer 2a). Yn dizze konfiguraasjes geane formatioanen dy't by de katode foarme binne troch it membraan as negatyf laden soarten, dan wurdt KCOOH foarme en ferlit it systeem fia de anodyske KOH-stream. Hoewol formate FE en selspanning yn earste ynstânsje geunstich wiene, lykas te sjen is yn figuer 2b, resultearre stabiliteitstests yn in reduksje yn FE fan sawat 30% yn mar 10 oeren (figuer S1a-c). It moat opmurken wurde dat it gebrûk fan 1 M KOH-anolyt kritysk is om anodyske oerspanning yn alkaline soerstofûntwikkelingsreaksje (OER) systemen te minimalisearjen en ionen tagonklik te meitsjen binnen it katodekatalysatorbêd. As de anolytkonsintraasje wurdt fermindere nei 0,1 M KOH, nimme sawol selspanning as mierensoeroksidaasje (ferlies fan mierensoer) ta (figuer S1d), wat in nul-som-ôfwaging yllustrearret. De mjitte fan formate-oksidaasje waard beoardiele mei de algemiene massabalâns; foar mear details, sjoch de seksje "Metoaden". De prestaasjes mei MEA- en ienige CEM-membraankonfiguraasjes waarden ek bestudearre, en de resultaten wurde werjûn yn figuer S1f,g. FE-formate sammele fan 'e katode wie >60% by 200 mA/cm2 oan it begjin fan 'e test, mar degradearre rap binnen twa oeren fanwegen earder besprutsen katodesâlt-akkumulaasje (figuer S11).
Skematysk diagram fan in MEA mei nul gat mei CO2R by de katode, wetterstofoksidaasjereaksje (HOR) of OER by de anode, en ien AEM-membraan dertusken. b FE en selspanning foar dizze konfiguraasje mei 1 M KOH en OER dy't by de anode streame. Flaterbalken fertsjintwurdigje de standertôfwiking fan trije ferskillende mjittingen. yn FE en systeemselspanning mei H2 en HOR by de anode. Ferskillende kleuren wurde brûkt om formiaat- en mierensoerproduksje te ûnderskieden. d Skematysk diagram fan MEA mei BPM nei foaren ferskowe yn 'e midden. FE en batterijspanning tsjin tiid by 200 mA/cm2 mei dizze konfiguraasje. f Dwerssnitôfbylding fan in foarút-biased BPM MEA nei in koarte test.
Om mieresûr te produsearjen, wurdt wetterstof levere oan in Pt-op-koalstof (Pt/C) katalysator by de anode. Lykas te sjen is yn figuer 2d, is in foarút-foarspannen BPM dy't protonen genereart by de anode earder ûndersocht om mieresûrproduksje te berikken. De BPM-tuning-ienheid gie nei 40 minuten wurking by in stroom fan 200 mA/cm2 stikken, begelaat troch in spanningspie fan mear as 5 V (fig. 2e). Nei testen waard dúdlike delaminaasje waarnommen by de CEM/AEM-ynterface. Neist formiaat kinne anionen lykas karbonaat, bikarbonaat en hydroxide ek troch it AEM-membraan gean en reagearje mei protonen by de CEM/AEM-ynterface om CO2-gas en floeiber wetter te produsearjen, wat liedt ta BPM-delaminaasje (fig. 2f) en, wat úteinlik liedt ta selfalen.
Op basis fan 'e prestaasjes- en falingsmeganismen fan 'e boppesteande konfiguraasje wurdt in nije MEA-arsjitektuer foarsteld lykas werjûn yn figuer 1c en detaillearre yn figuer 3a38. Hjir biedt de PCEM-laach in paad foar de migraasje fan mieresûr en anionen fan 'e CEM/AEM-ynterface, wêrtroch't de opgarjen fan 'e stof ferminderet. Tagelyk rjochtet it ynterstitiële paad fan PCEM mieresûr yn it diffúzjemedium en streamfjild, wêrtroch't de mooglikheid fan mieresûroksidaasje ferminderet. De polarisaasjeresultaten mei AEM's mei dikten fan 80, 40 en 25 mm wurde werjûn yn figuer 3b. Lykas ferwachte, hoewol de totale selspanning tanimt mei tanimmende AEM-dikte, foarkomt it brûken fan in dikkere AEM weromdiffúzje fan mieresûr, wêrtroch't de pH fan 'e katode tanimt en de H2-produksje ôfnimt (Fig. 3c-e).
in Yllustraasje fan MEA-struktuer mei AEM en perforearre CEM en ferskillende mieresûrtransportpaden. b Selspanning by ferskillende stroomtichtheden en ferskillende AEM-dikten. yn EE by ferskate stroomtichtheden mei in AEM-dikte fan 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm. Foutbalken fertsjintwurdigje standertôfwiking metten fan trije aparte samples. f Simulaasjeresultaten fan mieresûrkonsintraasje en pH-wearde by de CEM/AEM-ynterface by ferskillende AEM-dikten. f PC en pH yn 'e katodelaach fan' e katalysator mei ferskillende AEM-filmdikten. g Twadimensjonale ferdieling fan mieresûrkonsintraasje mei CEM/AEM-ynterface en perforaasje.
Figuer S2 lit de ferdieling fan mieresûrkonsintraasje en pH oer de MEA-dikte sjen mei help fan Poisson-Nernst-Planck eindige elemintenmodellering. It is net ferrassend dat de heechste konsintraasje fan mieresûr, 0,23 mol/L, waarnommen wurdt by de CEM/AEM-ynterface, om't mieresûr by dizze ynterface foarme wurdt. De konsintraasje fan mieresûr troch de AEM nimt rapper ôf as de dikte fan 'e AEM tanimt, wat in gruttere wjerstân tsjin massa-oerdracht en minder mieresûrflux troch weromdiffúzje oanjout. Figueren 3f en g litte de pH- en mieresûrwearden sjen yn it katodekatalysatorbêd feroarsake troch weromdiffúzje en de twadiminsjonale ferdieling fan mieresûrkonsintraasje, respektivelik. Hoe tinner it AEM-membraan, hoe heger de konsintraasje fan mieresûr by de katode, en de pH fan 'e katode wurdt soer. Dêrom, hoewol dikkere AEM-membranen resultearje yn hegere ohmske ferliezen, binne se kritysk foar it foarkommen fan weromdiffúzje fan mieresûr nei de katode en it maksimalisearjen fan 'e hege suverens fan it FE-mieresûrsysteem. Uteinlik resultearre it ferheegjen fan 'e AEM-dikte nei 80 μm yn FE >75% foar mierensoer by <2 V en 300 mA/cm2 foar in seloerflak fan 25 cm2.
Om de stabiliteit fan dizze PECM-basearre arsjitektuer te testen, waard de batterijstroom 55 oeren lang op 200 mA/cm2 hâlden. De algemiene resultaten wurde werjûn yn figuer 4, mei resultaten fan 'e earste 3 oeren markearre yn figuer S3. By it brûken fan 'e Pt/C anodyske katalysator naam de selspanning skerp ta binnen de earste 30 minuten (figuer S3a). Oer in langere perioade bleau de selspanning hast konstant, wat in degradaasjesnelheid fan 0,6 mV/o levere (figuer 4a). Oan it begjin fan 'e test wie de PV fan mieresûr sammele by de anode 76,5% en de PV fan wetterstof sammele by de katode wie 19,2%. Nei it earste oere fan testen sakke de wetterstof FE nei 13,8%, wat in ferbettere formate-selektiviteit oanjout. De oksidaasjesnelheid fan mieresûr yn it systeem sakke lykwols nei 62,7% yn 1 oere, en de oksidaasjesnelheid fan anodysk mieresûr naam ta fan hast nul oan it begjin fan 'e test nei 17,0%. Dêrnei bleaune de FE fan H2, CO, mieresûr en de snelheid fan anodyske oksidaasje fan mieresûr stabyl tidens it eksperimint. De tanimming fan mieresûroksidaasje yn it earste oere kin te tankjen wêze oan de opgarjen fan mieresûr by de PCEM/AEM-ynterface. As de konsintraasje fan mieresûr tanimt, komt it net allinich troch de perforaasje fan it membraan út, mar diffundearret it ek troch de FEM sels en komt it yn 'e Pt/C-anodelaach. Om't mieresûr in floeistof is by 60 °C, kin de opgarjen dêrfan massa-oerdrachtproblemen feroarsaakje en resultearje yn foarkar oksidaasje boppe wetterstof.
a Selspanning tsjin tiid (200 mA/cm2, 60 °C). De ynfoegsel lit in optyske mikroskoopôfbylding sjen fan in dwerssnit fan in MEA mei in perforearre EM. Skaalbalke: 300 µm. b Suverens fan PE en mierensoer as funksje fan tiid by 200 mA/cm2 mei in Pt/C-anode.
De morfology fan 'e samples oan it begjin fan 'e testen (BOT) tidens de tarieding en oan 'e ein fan 'e testen (EOT) nei 55 oeren stabiliteitstest waard karakterisearre mei nano-röntgen-kompjûtertomografy (nano-CT), lykas te sjen is yn figuer 5a. It EOT-sample hat in gruttere katalysatorpartikelgrutte mei in diameter fan 1207 nm yn ferliking mei 930 nm foar BOT. Ofbyldings fan hege hoeke-ringfoarmige tsjusterfjild-scannende transmissie-elektronenmikroskopie (HAADF-STEM) en resultaten fan enerzjy-dispersive röntgenspektroskopie (EDS) wurde werjûn yn figuer 5b. Wylst de BOT-katalysatorlaach de measte fan 'e lytsere katalysatorpartikels befettet, lykas ek wat gruttere agglomeraten, kin de katalysatorlaach yn 'e EOT-faze wurde ferdield yn twa ûnderskate regio's: ien mei signifikant gruttere fêste dieltsjes en de oare mei mear poreuze regio's. Oantal lytsere dieltsjes. De EDS-ôfbylding lit sjen dat de grutte fêste dieltsjes ryk binne oan Bi, mooglik metallysk Bi, en de poreuze regio's binne ryk oan soerstof. As de sel wurket op 200 mA/cm2, sil de negative potinsjeel fan 'e katode in reduksje fan Bi2O3 feroarsaakje, lykas bliken docht út 'e in situ röntgenabsorpsjespektroskopieresultaten dy't hjirûnder besprutsen wurde. HAADF-STEM- en EDS-mappingresultaten litte sjen dat Bi2O3 in reduksjeproses ûndergiet, wêrtroch't se soerstof ferlieze en agglomerearje ta gruttere metaaldieltsjes. Röntgendiffraksjepatroanen fan 'e BOT- en EOT-katoden befêstigje de ynterpretaasje fan 'e EDS-gegevens (Fig. 5c): allinich kristallijn Bi2O3 waard detektearre yn 'e BOT-katode, en kristallijn bimetaal waard fûn yn 'e EOT-katode. Om it effekt fan katodepotinsjeel op 'e oksidaasjetastân fan 'e Bi2O3-katodekatalysator te begripen, waard de temperatuer farieare fan iepen circuitpotinsjeel (+0,3 V vs RHE) oant -1,5 V (vs RHE). Der wurdt waarnommen dat de Bi2O3-faze begjint te ferminderjen by -0,85 V relatyf oan RHE, en in ôfname yn 'e yntensiteit fan' e wite line yn it rânegebiet fan it spektrum jout oan dat metallysk Bi wurdt redusearre ta 90% fan RHE by -1,1 V tsjin RHE (Fig. 5d). Nettsjinsteande it meganisme is de algemiene selektiviteit fan formate by de katode yn essinsje net feroare, lykas ôflaat wurdt fan H2 en CO FE en mierensoerfoarming, nettsjinsteande wichtige feroarings yn katodemorfology, katalysatoroksidaasjetastân en mikrokristallijne struktuer.
in Trijediminsjonale struktuer fan 'e katalysatorlaach en ferdieling fan katalysatorpartikels krigen mei nano-röntgen-CT. Skaalbalke: 10 µm. b Boppeste 2: HAADF-STEM-ôfbyldings fan katodelagen fan BOT- en EOT-katalysatoren. Skaalbalke: 1 µm. Underste 2: Fergrutte HADF-STEM- en EDX-ôfbyldings fan 'e katodelaach fan 'e EOT-katalysator. Skaalbalke: 100 nm. c Röntgendiffraksjepatroanen fan BOT- en EOT-katodemonsters. d In situ röntgenabsorpsjespektra fan Bi2O3-elektrode yn 0,1 M KOH as funksje fan potinsjeel (0,8 V oant -1,5 V vs. RHE).
Om krekt te bepalen hokker kânsen der binne foar it ferbetterjen fan enerzjy-effisjinsje troch it remmen fan mieresûr-oksidaasje, waard in H2-referinsje-elektrode brûkt om de bydrage fan spanningsferlies te identifisearjen39. By stroomtichtheden fan minder as 500 mA/cm2 bliuwt de katodepotinsjaal ûnder -1,25 V. De anodyske potinsjaal is ferdield yn twa haaddielen: de útwikselingsstroomtichtheid HOR en de teoretyske oerspanning HOR 40 foarsein troch de earder metten Bulter-Volmer-fergeliking, en it oerbleaune diel is te tankjen oan oksidaasje fan mieresûr. Fanwegen de folle stadiger reaksjekinetyk yn ferliking mei HOR41, kin de lytse taryf fan mieresûr-oksidaasjereaksje by de anode resultearje yn in wichtige ferheging fan 'e anodyske potinsjaal. De resultaten litte sjen dat folsleine remming fan anodyske oksidaasje fan mieresûr hast 500 mV oerspanning kin eliminearje.
Om dizze skatting te testen, waard de streamsnelheid fan deionisearre wetter (DI) by de anode-ynlaat farieare om de konsintraasje fan effluent mierensoer te ferminderjen. Figueren 6b en c litte FE, mierensoerkonsintraasje en selspanning sjen as funksje fan DI-flux by de anode by 200 mA/cm2. Doe't de streamsnelheid fan deionisearre wetter tanommen fan 3,3 mL/min nei 25 mL/min, naam de mierensoerkonsintraasje by de anode ôf fan 0,27 mol/L nei 0,08 mol/L. Yn ferliking, mei de sandwichstruktuer foarsteld troch Xia et al. 30, waard in mierensoerkonsintraasje fan 1,8 mol/L krigen by 200 mA/cm2. It ferminderjen fan de konsintraasje ferbetteret de totale FE fan mierensoer en ferminderet de FE fan H2 as de pH fan 'e katode alkalysker wurdt fanwegen fermindere weromdiffúzje fan mierensoer. De fermindere mierensoerkonsintraasje by maksimale DI-stream eliminearre ek praktysk de oksidaasje fan mierensoer, wat resultearre yn in totale selspanning fan krekt ûnder de 1,7 V by 200 mA/cm2. Batterijtemperatuer beynfloedet ek de algemiene prestaasjes, en de resultaten wurde werjûn yn figuer S10. PCEM-basearre arsjitektueren kinne lykwols de enerzjy-effisjinsje signifikant ferbetterje by it remmen fan mierensoeroksidaasje, of it no is troch it brûken fan anodyske katalysatoren mei ferbettere wetterstofselektiviteit foar mierensoer of troch apparaatoperaasje.
a Selspanningsûnderbrekking mei help fan in selereferinsje-H2-elektrode dy't wurket by 60 °C, Pt/C-anode en 80 µm AEM. b FE- en mierensoerkonsintraasjes sammele by 200 mA/cm2 mei ferskate streamingsraten fan anodysk deionisearre wetter. c As de anode mierensoer yn ferskate konsintraasjes sammelt, is de selspanning 200 mA/cm2. Flaterbalken fertsjintwurdigje de standertôfwiking fan trije ferskillende mjittingen. d Minimum ferkeappriis opdield nei prestaasjes by ferskate streamingsraten fan deionisearre wetter mei help fan nasjonale yndustriële gemiddelde elektrisiteitsprizen fan US$ 0,068/kWh en US$ 4,5/kg wetterstof. (*: De minimale oksidaasjetastân fan mierensoer by de anode wurdt oannommen as 10 M FA, de nasjonale gemiddelde yndustriële elektrisiteitspriis is $0,068/kWh, en wetterstof is $4,5/kg. **: De minimale oksidaasjetastân wurdt oannommen as mierensoer. De konsintraasje fan FA by de anode is 1,3 M anode, de ferwachte takomstige elektrisiteitspriis is $0,03/kWh, en de stippele line fertsjintwurdiget de merkpriis fan 85 gewichts% FA.
In techno-ekonomyske analyze (TEA) waard útfierd om de minimale ferkeappriis fan 'e brânstofassemblages ûnder in ferskaat oan wurkomstannichheden te krijen, lykas te sjen is yn figuer 5d. Metoaden en eftergrûngegevens foar TEA kinne fûn wurde yn 'e SI. As de LC-konsintraasje yn 'e anode-útlaat heger is, nettsjinsteande de hegere selspanning, wurde de totale kosten fan 'e brânstofassemblage fermindere troch de fermindering fan skiedingskosten. As anodyske oksidaasje fan mierensoer minimalisearre wurde kin troch katalysatorûntwikkeling of elektrodetechnology, soe de kombinaasje fan legere selspanning (1,66 V) en hegere FA-konsintraasje yn it effluent (10 M) de kosten fan elektrogemyske FA-produksje ferminderje nei 0,74 US dollar/kg (basearre op elektrisiteit). priis) $0,068/kWh en $4,5/kg wetterstof42. Boppedat, yn kombinaasje mei de projektearre takomstige kosten fan duorsume elektrisiteit fan $0,03/kWh en wetterstof fan $2,3/kg, wurdt it FA-ôffalwetterdoel fermindere nei 1,3 miljoen, wat resulteart yn in definitive projektearre produksjekosten fan US $0,66/kg43. Dit is te fergelykjen mei de hjoeddeiske merkprizen. Sa kinne takomstige ynspanningen rjochte op elektrodematerialen en -struktueren anodisaasje fierder ferminderje, wylst wurking by legere selspanningen mooglik makket om hegere LC-konsintraasjes te produsearjen.
Gearfetsjend hawwe wy ferskate MEA-struktueren mei nul gatten bestudearre foar CO2-reduksje ta mieresûr en in struktuer foarsteld mei in gearstalde foarút-biasearre bipolare membraan, ynklusyf in perforearre kationútwikselingsmembraan (PECM) om de membraanmassa-oerdrachtynterface foar it resultearjende mieresûr te fasilitearjen. Dizze konfiguraasje genereart >96% mieresûr by konsintraasjes oant 0,25 M (by in anode DI-streamsnelheid fan 3,3 mL/min). By hegere DI-streamsnelheden (25 mL/min) levere dizze konfiguraasje in stroomtichtens fan >80% FE fan 200 mA/cm2 by 1,7 V mei in selgebiet fan 25 cm2. By matige anodyske DI-snelheden (10 mL/min) behâlde de PECM-konfiguraasje in stabile spanning en hege mieresûr FE-nivo's foar 55 oeren testen by 200 mA/cm2. De hege stabiliteit en selektiviteit dy't berikt wurdt troch kommersjeel beskikbere katalysatoren en polymere membraanmaterialen kin fierder ferbettere wurde troch se te kombinearjen mei optimalisearre elektrokatalysatoren. Folgjend wurk sil rjochte wêze op it oanpassen fan wurkomstannichheden, anodekatalysatorselektiviteit en MEA-struktuer om mieresûroksidaasje te ferminderjen, wat resulteart yn in mear konsintrearre effluent by legere selspanningen. De ienfâldige oanpak foar it brûken fan koalstofdiokside foar mieresûr dy't hjir presintearre wurdt, elimineert de needsaak foar anolyt- en katolytkeamers, sandwichkomponinten en spesjale materialen, wêrtroch't de enerzjy-effisjinsje fan sellen fergruttet en de systeemkompleksiteit ferminderet, wêrtroch it makliker wurdt om op te skaaljen. De foarstelde konfiguraasje biedt in platfoarm foar de takomstige ûntwikkeling fan technysk en ekonomysk libbensfetbere CO2-konverzje-ynstallaasjes.
Behalven as oars oanjûn, waarden alle materialen en oplosmiddels fan gemyske kwaliteit brûkt sa't se ûntfongen waarden. Bismutoxidekatalysator (Bi2O3, 80 nm) waard kocht fan US Research Nanomaterials, Inc. Polymeerpoeier (AP1-CNN8-00-X) waard levere troch IONOMR. Omnisolv® merk N-propanol (nPA) en ultrasuver wetter (18.2 Ω, Milli-Q® Advantage A10 wettersuveringssysteem) waarden kocht fan Millipore Sigma. ACS-sertifisearre methanol en aceton wurde kocht fan VWR Chemicals BDH® en Fisher Chemical, respektivelik. It polymeerpoeier waard mingd mei in mingsel fan aceton en methanol yn in ferhâlding fan 1:1 op gewichtsbasis om in polymeardispersje te krijen mei in konsintraasje fan 6,5 gewichtsprosent. Tariede katalytyske inket troch 20 g Bi2O3, ultrasuver wetter, nPA en ionomerdispersje te mingen yn in pot fan 30 ml. De gearstalling befette 30 gewichtsprosent katalysator, in massaferhâlding fan ionomer ta katalysator fan 0,02 en in massaferhâlding fan alkohol ta wetter fan 2:3 (40 gewichtsprosent nPA). Foar it mingen waard 70 g Glen Mills 5 mm sirkoniumslypmateriaal tafoege oan it mingsel. De samples waarden 26 oeren lang op in Fisherbrand™ digitale flesroller pleatst by 80 rpm. Lit de inket 20 minuten stean foardat it oanbrocht waard. Bi2O3-inkt waard oanbrocht op in Qualtech automatyske applikator (QPI-AFA6800) mei in 1/2″ x 16″ laboratoariumtriedwikkeling (RD Specialties - 60 mil diameter) by 22 °C. 5 mL katalytyske inket waard oanbrocht op in 7,5 x 8 inch Sigraacet 39 BB koalstofgasdiffúzjedrager (brânstofselopslach) troch stêfôfsetting mei in fêste gemiddelde snelheid fan 55 mm/sek. Oerdrag dizze bedekte elektroden nei in oven en droegje by 80 °C. It proses fan it coaten fan 'e stêf en ôfbyldings fan 'e GDE-coating wurde werjûn yn figueren S4a en b. In röntgenfluoreszinsje (XRF)-ynstrumint (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) befêstige dat de bedekte GDE-lading 3,0 mg Bi2O3/cm2 wie.
Foar gearstalde membraankonfiguraasjes mei anionútwikselingsmembraan (AEM) en perforearre CEM waard Nafion NC700 (Chemours, FS) mei in nominale dikte fan 15 µm brûkt as de CEM-laach. De anodyske katalysator waard direkt op 'e FEM spuite mei in ionomer-koalstofferhâlding fan 0,83 en in dekkingsgebiet fan 25 cm2. Stipe platina mei in grut oerflak (50 gewichtsprosent Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA edelmetaal) mei in lading fan 0,25 mg Pt/cm2 waard brûkt as de anodekatalysator. Nafion D2020 (Ion Power, FS) waard brûkt as in ionomer foar de anodelaach fan 'e katalysator. CEM-perforaasje wurdt útfierd troch parallelle linen op 'e CEM-film te snijen mei yntervallen fan 3 mm. Details fan it perforaasjeproses wurde werjûn yn figueren S12b en c. Mei help fan röntgen-kompjûtertomografy waard befêstige dat de perforaasjegap 32,6 μm wie, lykas te sjen is yn figuer S12d en e. Tidens de selassemblage waard in mei katalysator bedekt perforearre CEM-membraan pleatst op in Toray-papier fan 25 cm2 (behannele mei 5 gewichtsprosent PTFE, Fuel Cell Store, Feriene Steaten). In AEM-membraan (PiperION, Versogen, Feriene Steaten) mei in dikte fan 25, 40 of 80 μm waard boppe op 'e CEM en doe op 'e GDE-katode pleatst. It AEM-membraan waard yn stikken fan 7,5 × 7,5 sm snien om it heule streamfjild te dekken en oernachtich wekt yn 1 M kaliumhydrokside-oplossing foar de gearstalling. Sawol de anode as de katode brûke PTFE-spacers dy't dik genôch binne om in optimale GDE-kompresje fan 18% te berikken. Details fan it batterijassemblageproses wurde werjûn yn figuer S12a.
Tidens it testen waard de gearstalde sel op 60 °C hâlden (30, 60 en 80 °C foar temperatuerôfhinklikheidsstúdzjes) mei 0,8 L/min wetterstofgas dat oan 'e anode waard levere en 2 L/min koalstofdiokside dy't oan 'e katode waard levere. Sawol de anodyske as de katodyske loftstreamen waarden befochtige by 100% relative fochtigens en 259 kPa absolute katodyske druk. Tidens operaasje waard de katodegasstream mingd mei 1 M KOH-oplossing mei in snelheid fan 2 mL/min om it gebrûk fan it katodekatalysatorbêd en ionyske gelieding te befoarderjen. Ming in stream anodegas mei deionisearre wetter mei in snelheid fan 10 ml/min om mierensoer by de anode te ferwiderjen. Details fan 'e yn- en útfier fan it apparaat wurde werjûn yn figuer S5. It katode-útlaatgas befettet CO2 en genereart CO en H2. De wetterdamp wurdt fuorthelle fia in kondensor (leechtemperatuerwaarmtewikseler by 2 °C). It oerbleaune gas sil wurde sammele foar gastiminganalyse. De anodestream sil ek troch in kondensor gean om de floeistof fan it gas te skieden. It ôffalwetter sil wurde sammele yn skjinne fleskes en analysearre mei floeibere chronometry om it produsearre mieresûr te kwantifisearjen. Elektrochemyske testen waarden útfierd mei in Garmy-potentiostaat (referinsjenûmer 30K, Gamry, Feriene Steaten). Foardat de polarisaasjekromme waard mjitten, waard de sel 4 kear kondisjonearre yn it berik fan 0 oant 250 mA/cm2 mei lineêre voltammetry mei in scansnelheid fan 2,5 mA/cm2. Polarisaasjekrommen waarden krigen yn galvanostatyske modus mei de sel 4 minuten op in bepaalde stroomtichtens hâlden foardat it katodegas en de anolytfloeistof waarden sampled.
Wy brûke in wetterstofreferinsje-elektrode yn 'e MEA om de katode- en anodyske potinsjalen te skieden. De struktuer fan 'e referinsje-elektrode wurdt werjûn yn figuer S6a. In Nafion-membraan (Nafion 211, IonPower, Feriene Steaten) waard brûkt as in ionyske brêge om it MEA-membraan en de referinsje-elektrode te ferbinen. Ien ein fan 'e Nafion-strip waard ferbûn mei in 1 cm2 gasdiffusje-elektrode (GDE) laden mei 0,25 mg Pt/cm2 (50 gewichtsprosent Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) sputtere op 29BC koalstofpapier (Fuel Cell Store, Feriene Steaten). Spesjale polyetheretherketon (PEEK) hardware wurdt brûkt om gas te fersegeljen en goed kontakt te garandearjen tusken de GDE- en Nafion-strips, en om de referinsje-elektrode te ferbinen mei de brânstofselhardware. It oare ein fan 'e Nafion-strip is ferbûn mei de útstekkende râne fan 'e CEM-batterij. Figuer S6b lit de dwersdoorsnede sjen fan 'e referinsje-elektrode yntegreare mei de MEA.
Nei't it útlaatgas troch de kondensor en gas-floeistofskieder giet, wurde gasmonsters nommen fan 'e katode. It sammele gas waard teminsten trije kear analysearre mei in 4900 Micro GC (10 μm molekulêre sieve, Agilent). Monsters waarden sammele yn inerte mearlaachse aluminiumfolie gasmonsterzakken Supel™ (Sigma-Aldrich) foar in bepaalde perioade (30 sekonden) en binnen twa oeren nei it sammeljen mei de hân yn 'e mikrogaschromatograaf ynfoege. De ynjeksjetemperatuer waard ynsteld op 110 °C. Koalmonokside (CO) en wetterstof (H2) waarden skieden op in ferwaarme (105 °C) ûnder druk (28 psi) 10 m MS5A-kolom mei argon (Matheson Gas-Matheson Purity) as it dragergas. Dizze ferbiningen wurde detektearre mei de ynboude termyske konduktiviteitsdetektor (TCD). GC-chromatogrammen en CO- en H2-kalibraasjekurven wurde werjûn yn figuer S7. Floeibere mieresûrmonsters waarden foar in bepaalde tiid (120 sekonden) fan 'e anode sammele en filtere mei in 0.22 μm PTFE-spuitfilter yn fleskes fan 2 mL. Floeibere produkten yn 'e fleskes waarden analysearre mei in Agilent 1260 Infinity II bioinert hege-prestaasje floeistofchromatografy (HPLC) systeem, wêryn 20 μl fan it monster ynjektearre waard fia in autosampler (G5668A) mei in mobile faze fan 4 mM swevelsoer (H2SO4). ) mei in streamingsnelheid fan 0.6 ml/min (kwaternêre pomp G5654A). Produkten waarden skieden op in ferwaarme (35 °C, kolomoven G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7.8 mm (Bio-Rad) foarôfgien troch in Micro-Guard Cation H-beskermingskolom. Mieresûr waard detektearre mei in diode array detektor (DAD). by in golflingte fan 210 nm en in bânbreedte fan 4 nm. It HPL-chromatogram en de standertkalibraasjekromme fan mierensoer wurde werjûn yn figuer S7.
De gasprodukten (CO en H2) FE wurde berekkene mei de folgjende fergeliking, en de totale mol gas wurdt berekkene mei de ideale gasfergeliking:
Under harren: \({n}_{i}\): it oantal elektroanen yn in elektrogemyske reaksje. \(F\): Faraday's konstante. \({C}_{i}\): HPLC floeibere produktkonsintraasje. \(V\): folume fan floeibere stekproef sammele oer in fêste tiid t. \(j\): stroomtichtens. \(A\): Geometrysk gebiet fan 'e elektrode (25 cm2). \(t\): samplingtiidperioade. \(P\): absolute druk. \({x}_{i}\): Molpersintaazje gas bepaald troch GC. \(R\): gaskonstante. \(T\): temperatuer.
De konsintraasje fan anodyske kationen waard kwantifisearre mei induktyf keppele plasma-atoomemisjespektroskopie (ICP-OES). Kationen dy't kinne útlûke of diffundearje yn 'e anode omfetsje Ti, Pt, Bi en K. Mei útsûndering fan K wiene alle oare kationen ûnder de deteksjelimyt. Foarmje ioanen yn 'e oplossing dy't de anode ferlit om te pearjen mei protonen of oare kationen. Dêrom kin de suverens fan mieresûr berekkene wurde as
Formiaat/FA-produksje fertsjintwurdiget de hoemannichte FA produsearre per kWh elektrisiteit dy't ferbrûkt wurdt mei in bepaalde MEA-konfiguraasje, yn mol/kWh. It wurdt berekkene op basis fan stroomtichtens, selspanning en Faraday-effisjinsje ûnder spesifike wurkomstannichheden.
Berekenje de hoemannichte mieresûr dy't by de anode oksidearre is op basis fan 'e totale massabalâns. Trije konkurrearjende reaksjes fine plak by de katode: wetterstofûntwikkeling, reduksje fan CO2 nei CO, en reduksje fan CO2 nei mieresûr. Omdat wy in mieresûroksidaasjeproses hawwe yn Anton, kin mieresûr FE wurde ferdield yn twa dielen: mieresûrkolleksje en mieresûroksidaasje. De totale massabalâns kin skreaun wurde as:
Wy hawwe GC brûkt om de hoemannichten mieresûr, wetterstof en CO te kwantifisearjen dy't troch HPLC sammele binne. It moat opmurken wurde dat it measte fan it mieresûr sammele waard út 'e anode mei de opset werjûn yn Oanfoljende Figuer S5. De hoemannichte formiaat dy't sammele is út 'e katodekeamer is ûnbelangryk, sawat twa oarders fan grutte minder, en bedraacht minder as 0,5% fan 'e totale hoemannichte SC.
It hjir brûkte model foar trochgeande transport is basearre op earder wurk oan ferlykbere systemen34. In keppele systeem fan Poisson-Nerst-Planck (PNP) fergelikingen wurdt brûkt om wetterkonsintraasje en elektrostatysk potinsjeel te bepalen yn elektroanysk en ionysk liedende fazen. In detaillearre oersjoch fan 'e ûnderlizzende fergelikingen en modelgeometrie wurdt jûn yn it SI.
Dit systeem bepaalt de konsintraasje fan acht wetterige stoffen (\({{{{{{{\rm{C}}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}}_{2 \left ({{{{{{{\rm{aq}}}}}}\right)}\), \({{{{{{{\rm{H}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{{ \rm{ HCO}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ), \ ({{{{{\rm{HCOOH}}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}}^{- }\) en \({{{ {{{\rm{K}}}}}}^{+}\)), elektrostatysk potinsjaal yn 'e ionyske geleidende faze (\({\phi }_{I}\ )) en anodyske en kathodyske elektrongelieding. Elektrostatyske potinsjalen yn fazen (\({\phi }_{A}\) en \({\phi }_{C}\) respektivelik). Ynstee dêrfan wurde noch lokale elektryske neutraliteit noch ladingsferdielingsfunksjes realisearre, it romteladingsgebiet wurdt direkt oplost mei de Poisson-fergeliking; Dizze oanpak lit ús ta om Donnan-ôfstjiteffekten direkt te modellearjen by de CEM|AEM-, CEM|Pore- en AEM|Pore-ynterfaces. Derneist wurdt poreuze elektrodeteory (PET) brûkt om it ladingstransport yn 'e anodyske en kathodyske lagen fan 'e katalysator te beskriuwen. Foar safier't de auteurs witte, fertsjintwurdiget dit wurk de earste tapassing fan PET yn systemen mei meardere romteladingsgebieten.
GDE BOT- en EOT-katodemonsters waarden test mei in Zeiss Xradia 800 Ultra mei in 8.0 keV röntgenboarne, absorpsje- en breedfjildmodi, en ôfbyldingsfúzje1. 901 ôfbyldings waarden sammele fan -90° oant 90° mei in bleatstellingstiid fan 50 sekonden. Rekonstruksje waard útfierd mei in efterprojeksjefilter mei in voxelgrutte fan 64 nm. Analyse fan segmintaasje en dieltsjegrutteferdieling waard útfierd mei spesjaal skreaune koade.
Elektroanemikroskopyske karakterisaasje omfettet it ynbêdzjen fan 'e test-MEA's yn epoxyhars as tarieding op ultradunne seksje mei in diamantmes. De dwerstrochsneed fan elke MEA waard snien ta in dikte fan 50 oant 75 nm. In Talos F200X transmissie-elektronenmikroskoop (Thermo Fisher Scientific) waard brûkt foar scanning transmission elektronenmikroskopie (STEM) en enerzjy-dispersive röntgenspektroskopie (EDS) mjittingen. De mikroskoop is foarsjoen fan in EDS Super-X systeem mei 4 finsterleaze SDD-detektors en wurket op 200 kV.
Poeder-röntgendiffraksjepatroanen (PXRD) waarden krigen op in Bruker Advance D8 poeder-röntgendiffraktometer mei Ni-filtere Cu Kα-strieling dy't wurket op 40 kV en 40 mA. It scanberik is fan 10° oant 60°, de stapgrutte is 0,005°, en de gegevensakwisysjesnelheid is 1 sekonde per stap.
It RAS-spektrum oan 'e râne fan 'e Bi2O3 BiL3-katalysator waard metten as in funksje fan potinsjeel mei in selsmakke sel. Bi2O3 katalytyske ionomeerinkt waard taret mei 26,1 mg Bi2O3 mingd mei 156,3 μL ionomeeroplossing (6,68%) en neutralisearre mei 1 M KOH, wetter (157 μL) en isopropylalkohol (104 μL) om ionomeerinkt te krijen. De katalysatorkoëffisjint is 0,4. De inkt waard oanbrocht op grafeenblêden yn rjochthoekige plakken (10 × 4 mm) oant de Bi2O3-katalysatorlading 0,5 mg/cm2 berikte. De rest fan 'e grafeenblêd is bedekt mei Kapton om dizze gebieten te isolearjen fan 'e elektrolyt. De mei katalysator bedekte grafeenblêd waard ynfoege tusken twa PTFE's en mei skroeven oan it sellichem (PEEK) befestige, figuer S8. Hg/HgO (1 M NaOH) tsjinne as de referinsje-elektrode, en koalstofpapier tsjinne as de tsjinelektrode. De Hg/HgO referinsje-elektrode waard kalibrearre mei in platina tried ûnderdompele yn wetterstof-ferzadigde 0.1 M KOH om alle mjitten potinsjes om te setten nei in omkearbere wetterstofelektrode (RHE) skaal. XRD-spektra waarden krigen troch it kontrolearjen fan it potinsjeel fan in Bi2O3/grafeenplaat wurkelektrode ûnderdompele yn 0.1 M KOH, ferwaarme oant 30 °C. De elektrolyt sirkulearret yn 'e batterij, mei de elektrolyt-ynlaat oan 'e ûnderkant fan' e sel en de útlaat oan 'e boppekant om te soargjen dat de elektrolyt kontakt makket mei de katalysatorlaach as bubbels foarmje. In CH Instruments 760e potensiostaat waard brûkt om it wurkelektrodepotinsjeel te kontrolearjen. De potinsjesekwinsje wie in iepen circuitpotinsjeel: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 en +700 mV ôfhinklik fan RHE. Alle iR-potinsjes binne oanpast.
Bi L3-râne (~13424 eV foar Bi-metaal) Röntgenabsorpsje fynstruktuer (XAFS) spektroskopie waard útfierd op kanaal 10-ID, Advanced Photon Source (APS), Argonne National Fluorescence Laboratory. National Model Measurement Laboratory. In twa-kristallen Si(111) monochromator kuolle mei floeibere stikstof waard brûkt om de röntgenenerzjy ôf te stimmen, en in rhodium-coated spegel waard brûkt om de harmonyske ynhâld te ferswakken. Skanne-enerzjyen waarden farieare fan 13200 oant 14400 eV, en fluoresinsje waard metten mei in 5 × 5 silisium PIN-diode-array sûnder filters of Soller-spleten. De nul-oergongsenerzjy fan 'e twadde derivative wurdt kalibrearre op 13271.90 eV fia de L2-râne fan 'e Pt-folie. Fanwegen de dikte fan 'e elektrogemyske sel wie it net mooglik om tagelyk it spektrum fan 'e referinsjestandert te mjitten. Sa is de berekkene feroaring fan scan nei scan yn ynfallende röntgenenerzjy ±0,015 eV basearre op werhelle mjittingen tidens it eksperimint. De dikte fan 'e Bi2O3-laach liedt ta in beskate mjitte fan selsabsorpsje fan fluoreszinsje; de ​​elektroden behâlde in fêste oriïntaasje relatyf oan 'e ynfallende striel en detektor, wêrtroch alle scans praktysk identyk binne. It XAFS-spektrum yn it tichtby fjild waard brûkt om de oksidaasjetastân en gemyske foarm fan bismut te bepalen troch fergeliking mei de XANES-regio fan Bi- en Bi2O3-standerts mei it lineêre kombinaasje-oanpassingsalgoritme fan Athena-software (ferzje 0.9.26). mei koade IFEFFIT 44.
De gegevens dy't de sifers yn dit artikel en oare konklúzjes fan dizze stúdzje stypje, binne op ridlik fersyk beskikber by de oerienkommende auteur.
Crandall BS, Brix T., Weber RS ​​en Jiao F. Techno-ekonomyske beoardieling fan griene media-leveringsketens H2. Energy Fuels 37, 1441–1450 (2023).
Younas M, Rezakazemi M, Arbab MS, Shah J en Rehman V. Griene wetterstofopslach en levering: dehydrogenaasje fan mierensoer mei help fan tige aktive homogene en heterogene katalysatoren. internationality. J. Gidrog. Energy 47, 11694–11724 (2022).
Nie, R. et al. Resinte foarútgong yn katalytyske oerdrachthydrogenaasje fan mieresûr oer heterogene oergongsmetaalkatalysatoren. AKS-katalogus. 11, 1071–1095 (2021).
Rahimi, A., Ulbrich, A., Kuhn, JJ, en Stahl, SS Mierensoer-induzearre depolymerisaasje fan oksidearre lignine ta aromatyske ferbiningen. Nature 515, 249–252 (2014).
Schuler E. et al. Mierensoer tsjinnet as in wichtige tuskenstof foar it brûken fan CO2. grien. Chemical. 24, 8227–8258 (2022).
Zhou, H. et al. Fluch net-destruktive fraksjonaasje (≤15 min) fan biomassa mei help fan trochstreamende mierensoer foar in algemiene ferbettering fan koalhydraat- en lignine-ynhâld. Skiekunde en Skiekunde 12, 1213–1221 (2019).
Calvi, CH et al. Ferbettere groei fan Cupriavidus necator H16 op formate mei help fan adaptive laboratoarium evolúsjonêre ynformaasje-engineering. Metaboliten. yngenieur. 75, 78–90 (2023).
Ishai, O. en Lindner, SN Gonzalez de la Cruz, J., Tenenboim, H. en Bar-Even, A. Bioekonomy fan formaten. aktueel. Opiny. Gemyske. biology. 35, 1–9 (2016).