Go raibh maith agat as cuairt a thabhairt ar Nature.com. Tá tacaíocht theoranta do CSS sa leagan brabhsálaí atá in úsáid agat. Chun na torthaí is fearr a fháil, molaimid duit leagan níos nuaí de do bhrabhsálaí a úsáid (nó Mód Comhoiriúnachta a dhíchumasú in Internet Explorer). Idir an dá linn, chun tacaíocht leanúnach a chinntiú, táimid ag taispeáint an tsuímh gan stíl ná JavaScript.
Is bealach geallta é laghdú leictriceimiceach dé-ocsaíd charbóin go haigéad formach chun úsáid dé-ocsaíd charbóin a fheabhsú agus tá feidhmeanna féideartha aige mar mheán stórála hidrigine. Sa saothar seo, forbraítear ailtireacht tionóil leictreoid scannáin gan bhearna le haghaidh sintéis leictriceimiceach dhíreach aigéid fhormaigh ó dhé-ocsaíd charbóin. Is dul chun cinn teicneolaíochta tábhachtach é an scannán malairte caitian pollta, a cheadaíonn, nuair a úsáidtear é i gcumraíocht scannáin dhépholach claonta ar aghaidh, d'aigéad formach a fhoirmítear ag comhéadan an scannáin a dhíláithriú tríd an réimse sreafa anóideach i dtiúchain chomh híseal le 0.25 M. Gan comhpháirteanna ceapaire breise idir an anóid agus an catóid, tá sé mar aidhm ag an gcoincheap ábhair agus dearaí ceallraí atá coitianta i gcealla breosla agus leictrealú hidrigine a ghiaráil, rud a cheadaíonn aistriú níos tapúla chuig scála suas agus tráchtálú. I gcill 25 cm2, soláthraíonn cumraíocht an scannáin malairte caitian pollta éifeachtúlacht Faraday >75% d'aigéad formach ag <2 V agus 300 mA/cm2. Níos tábhachtaí fós, léirigh tástáil chobhsaíochta 55 uair an chloig ag 200 mA/cm2 éifeachtúlacht Faraday agus voltas cille cobhsaí. Úsáidtear anailís theicneolaíoch-eacnamaíoch chun bealaí a léiriú chun comhionannas costais a bhaint amach le modhanna reatha táirgthe aigéad formach.
Tá sé léirithe go laghdaíonn laghdú leictriceimiceach dé-ocsaíd charbóin go haigéad formach ag baint úsáide as leictreachas in-athnuaite costais táirgthe suas le 75%1 i gcomparáid le modhanna traidisiúnta bunaithe ar bhreoslaí iontaise. Mar a léirítear sa litríocht2,3, tá raon leathan feidhmeanna ag aigéad formach, ó mhodh éifeachtach agus eacnamaíoch chun hidrigin a stóráil agus a iompar go dtí amhábhar don tionscal ceimiceach4,5 nó don tionscal bithmhaise6. Tá aigéad formach aitheanta fiú mar amhábhar le haghaidh comhshó ina dhiaidh sin ina idirmheánacha breosla scairdeitleáin inbhuanaithe ag baint úsáide as innealtóireacht meitibileach7,8. Le forbairt eacnamaíocht aigéad formach1,9, tá roinnt saothar taighde dírithe ar roghnaíocht chatalaíoch a bharrfheabhsú10,11,12,13,14,15,16. Mar sin féin, leanann go leor iarrachtaí ag díriú ar chealla beaga H nó cealla sreafa leachta a oibríonn ag dlúis reatha ísle (<50 mA/cm2). Chun costais a laghdú, tráchtálú a bhaint amach agus dul i bhfeidhm ar an margadh ina dhiaidh sin a mhéadú, ní mór laghdú leictriceimiceach dé-ocsaíd charbóin (CO2R) a dhéanamh ag dlúis reatha arda (≥200 mA/cm2) agus éifeachtúlacht Faraday (FE)17 agus úsáid ábhair á huasmhéadú agus comhpháirteanna ceallraí á n-úsáid ón Teicneolaíocht. Ligeann cealla breosla agus leictrealú uisce do ghléasanna CO2R leas a bhaint as geilleagair scála18. Ina theannta sin, chun fóntais an táirgthe a mhéadú agus próiseáil bhreise iartheachtach a sheachaint, ba cheart aigéad formach a úsáid mar an táirge deiridh seachas salainn formáite19.
Sa treo seo, rinneadh iarrachtaí le déanaí chun feistí leictreoid idirleata gáis (GDE) bunaithe ar fhormáit/aigéad formach CO2R atá ábhartha don tionscal a fhorbairt. Achoimríonn athbhreithniú cuimsitheach le Fernandez-Caso et al.20 gach cumraíocht cille leictriceimiceach le haghaidh laghdú leanúnach CO2 go haigéad formach/formáit. Go ginearálta, is féidir na cumraíochtaí uile atá ann cheana a roinnt ina dtrí phríomhchatagóir: 1. Catóilítí sreafa tríd19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Scannán aonair (scannán malartaithe catóin (CEM)28 nó scannán malartaithe anion (AEM)29 agus 3. Cumraíocht ceapaire15,30,31,32. Taispeántar trasghearrthacha simplithe de na cumraíochtaí seo i bhFíor 1a. Maidir le cumraíocht sreafa an chatóilíte, cruthaítear seomra leictrilít idir an scannán agus catóid an GDE. Úsáidtear catóilít sreafa tríd chun bealaí ian a chruthú i gciseal catóide an chatalaíoch33, cé go bhfuil díospóireacht ann faoina riachtanas chun roghnaíocht formáite a rialú34. Mar sin féin, d'úsáid Chen et al. an chumraíocht seo. Agus catóid SnO2 á úsáid ar shubstráit charbóin le sraith catóilíte 1.27 mm tiubh, baineadh amach suas le 90% FE35 ag 500 mA/cm2. Leis an meascán de shraith chatóilíte tiubh agus Soláthraíonn scannán dépholach claonta droim ar ais (BPM) a chuireann teorainn le haistriú ian voltas oibriúcháin 6 V agus éifeachtúlacht fuinnimh 15%. Chun éifeachtúlacht fuinnimh a fheabhsú, bhain Li et al. FE 29 de 93.3% amach ag cumraíocht CEM aonair ag dlús reatha codánach de 51.7 mA/cm2. D'úsáid Diaz-Sainz et al.28 preas scagaire le scannán CEM aonair ag dlús reatha 45 mA/cm2. Mar sin féin, tháirg na modhanna go léir formáit seachas an táirge is fearr, aigéad formach. Chomh maith le ceanglais phróiseála breise, i gcumraíochtaí CEM, is féidir le formáidí ar nós KCOOH carnadh go tapa sa réimse GDE agus sreafa, rud a fhágann srianta iompair agus teip cille sa deireadh.
Comparáid idir na trí chumraíocht is suntasaí de ghléasanna comhshó CO2R go formáit/aigéad formach agus an ailtireacht atá beartaithe sa staidéar seo. b Comparáid idir an sruth iomlán agus toradh formáite/aigéad formach do chumraíochtaí catóilíte, cumraíochtaí ceapaire, cumraíochtaí CEM aonair sa litríocht (a thaispeántar i dTábla Forlíontach S1) agus ár gcuid oibre. Léiríonn marcanna oscailte táirgeadh tuaslagáin formáite, agus léiríonn marcanna soladacha táirgeadh aigéad formach. *Cumraíocht a thaispeántar ag baint úsáide as hidrigin ag an anóid. c Cumraíocht MEA gan bhearna ag baint úsáide as scannán dépholach ilchodach le ciseal malartaithe caitian pollta ag feidhmiú i mód claonta ar aghaidh.
Chun foirmiú formáidí a chosc, bhain Proietto et al. 32 úsáid as cumraíocht preasa scagaire gan scoilt ina sreabhann uisce dí-ianaithe tríd an idirchiseal. Is féidir leis an gcóras >70% CE a bhaint amach sa raon dlús reatha 50–80 mA/cm2. Ar an gcaoi chéanna, mhol Yang et al. 14 úsáid idirchiseal leictrilít sholadaigh idir an CEM agus an AEM chun foirmiú aigéid fhormaigh a chur chun cinn. Bhain Yang et al. 31,36 91.3% FE amach i gcill 5 cm2 ag 200 mA/cm2, rud a tháirg tuaslagán aigéid fhormaigh 6.35% de réir meáchain. Xia et al. Ag baint úsáide as cumraíocht chomhchosúil, baineadh amach 83% comhshó dé-ocsaíd charbóin (CO2) go haigéad formaigh FE ag 200 mA/cm2, agus rinneadh tástáil ar mharthanacht an chórais ar feadh 100 uair 30 nóiméad. Cé go bhfuil torthaí ar scála beag gealladh fúthu, déanann an costas méadaithe agus castacht roisíní malairte ian scagach deacair cumraíochtaí idirchiseal a scálú chuig córais níos mó (m.sh., 1000 cm2).
Chun glan-éifeacht na ndearaí éagsúla a shamhlú, rinneamar tábla de tháirgeadh formáite/aigéid fhormaigh in aghaidh an kWh do na córais uile a luadh níos luaithe agus phlotamar iad i bhFíor 1b. Tá sé soiléir anseo go mbainfidh aon chóras ina bhfuil catóilít nó idirchiseal a fheidhmíocht uasta amach ag dlúis reatha ísle agus go ndíghrádóidh sé ag dlúis reatha níos airde, áit a bhféadfadh an teorainn ómach voltas na cille a chinneadh. Thairis sin, cé go soláthraíonn cumraíocht CEM atá éifeachtúil ó thaobh fuinnimh an táirgeadh aigéid fhormaigh mhólaraigh is airde in aghaidh an kWh, is féidir le carnadh salainn meath tapa feidhmíochta a bheith mar thoradh air ag dlúis reatha arda.
Chun na modhanna teipe a pléadh cheana a mhaolú, d'fhorbraíomar tionól leictreoid membrane (MEA) ina bhfuil BPM ilchodach claonta ar aghaidh le membrane malartaithe catióin pollta (PCEM). Taispeántar an ailtireacht i bhFíor 1c. Tugtar hidrigin (H2) isteach san anóid chun prótóin a ghiniúint trí imoibriú ocsaídiúcháin hidrigine (HOR). Tugtar sraith PCEM isteach sa chóras BPM chun ligean d'iain formáite a ghintear ag an gcatóid dul tríd an AEM, comhcheangail le prótóin chun aigéad formach a fhoirmiú ag comhéadan BPM agus póir idirmheánacha an CEM, agus ansin imeacht tríd an anóid GDE agus an réimse sreafa. . Ag baint úsáide as an gcumraíocht seo, bhaineamar amach >75% FE d'aigéad formach ag <2 V agus 300 mA/cm2 le haghaidh achar cealla 25 cm2. Níos tábhachtaí fós, úsáideann an dearadh comhpháirteanna agus ailtireachtaí crua-earraí atá ar fáil go tráchtála do ghléasraí leictrealú cealla breosla agus uisce, rud a ligeann d'am níos tapúla chun scála a dhéanamh. Tá seomraí sreafa catóilíte i gcumraíochtaí catóilíte ar féidir leo míchothromaíocht brú a chur faoi deara idir na céimeanna gáis agus leachtacha, go háirithe i gcumraíochtaí cealla níos mó. I gcás struchtúir ceapaire le sraitheanna scagacha de shreabhadh sreabhach, tá gá le hiarrachtaí suntasacha chun an tsraith idirmheánach scagach a bharrfheabhsú chun titim brú agus carnadh dé-ocsaíde carbóin laistigh den tsraith idirmheánach a laghdú. Is féidir leis an dá rud seo cur isteach ar chumarsáid cheallacha. Tá sé deacair freisin sraitheanna tanaí scagacha neamhspleácha a tháirgeadh ar scála mór. I gcodarsnacht leis sin, is cumraíocht MEA nialasach-bhearna í an chumraíocht nua atá beartaithe nach bhfuil seomra sreafa ná sraith idirmheánach inti. I gcomparáid le cealla leictriceimiceacha eile atá ann cheana féin, tá an chumraíocht atá beartaithe uathúil sa mhéid is go gceadaíonn sí sintéis dhíreach aigéid fhormaigh i gcumraíocht inscálaithe, fuinnimh-éifeachtúil, nialasach-bhearna.
Chun éabhlóid hidrigine a chosc, tá iarrachtaí móra laghdaithe CO2 tar éis cumraíochtaí membrane MEA agus AEM a úsáid i gcomhar le leictrilítí ard-tiúchana mólar (m.sh., 1-10 M KOH) chun coinníollacha alcaileacha a chruthú ag an gcatóid (mar a thaispeántar i bhFíor 2a). Sna cumraíochtaí seo, téann iain formáide a fhoirmítear ag an gcatóid tríd an membrane mar speicis luchtaithe go diúltach, ansin foirmítear KCOOH agus fágann sé an córas tríd an sruth KOH anóideach. Cé gur fhabhrach an FE formáide agus an voltas cille ar dtús mar a thaispeántar i bhFíor 2b, mar thoradh ar thástáil chobhsaíochta bhí laghdú de thart ar 30% ar FE i díreach 10 uair an chloig (Fíor S1a–c). Ba chóir a thabhairt faoi deara go bhfuil úsáid anailíte 1 M KOH ríthábhachtach chun róvoltas anóideach a íoslaghdú i gcórais imoibriúcháin éabhlóid ocsaigine alcaileach (OER)37 agus inrochtaineacht ian a bhaint amach laistigh de leaba chatalaíoch an chatóide33. Nuair a laghdaítear tiúchan an anailíte go 0.1 M KOH, méadaíonn an voltas cille agus ocsaídiú aigéid fhormaigh (caillteanas aigéid fhormaigh) araon (Fíor S1d), rud a léiríonn trádáil nialasach. Rinneadh measúnú ar an méid ocsaídiúcháin formáite ag baint úsáide as an gcothromaíocht maise foriomlán; le haghaidh tuilleadh sonraí, féach an chuid “Modhanna”. Rinneadh staidéar freisin ar an bhfeidhmíocht ag baint úsáide as cumraíochtaí membrane MEA agus CEM aonair, agus taispeántar na torthaí i bhFíor S1f,g. Bhí formáit FE a bailíodh ón gcatóid >60% ag 200 mA/cm2 ag tús na tástála, ach dhíghrádaigh sé go tapa laistigh de dhá uair an chloig mar gheall ar charnadh salainn catóide a pléadh roimhe seo (Fíor S11).
Sceitseáil de MEA gan bhearna le CO2R ag an gcatóid, imoibriú ocsaídiúcháin hidrigine (HOR) nó OER ag an anóid, agus scannán AEM amháin eatarthu. b FE agus voltas cille don chumraíocht seo le 1 M KOH agus OER ag sreabhadh ag an anóid. Léiríonn barraí earráide an diall caighdeánach de thrí thomhas éagsúla. i FE agus voltas cille córais le H2 agus HOR ag an anóid. Úsáidtear dathanna difriúla chun idirdhealú a dhéanamh idir táirgeadh formáite agus aigéid fhormaigh. d Léaráid sceitseáil de MEA le BPM aistrithe ar aghaidh sa lár. FE agus voltas ceallraí i gcoinne ama ag 200 mA/cm2 ag baint úsáide as an chumraíocht seo. f Íomhá thrasghearrthach de MEA BPM claonta ar aghaidh tar éis tástála ghearr.
Chun aigéad formach a tháirgeadh, soláthraítear hidrigin chuig catalaíoch Pt-ar-charbóin (Pt/C) ag an anóid. Mar a thaispeántar i bhFíor 2d, rinneadh imscrúdú roimhe seo ar BPM claonta ar aghaidh a ghineann prótóin ag an anóid chun táirgeadh aigéad formach a bhaint amach. Theip ar an aonad tiúnta BPM tar éis 40 nóiméad oibríochta ag sruth 200 mA/cm2, in éineacht le borradh voltais de níos mó ná 5 V (Fíor 2e). Tar éis tástála, breathnaíodh dí-áitiú soiléir ag an gcomhéadan CEM/AEM. Chomh maith le formáit, is féidir le hanain ar nós carbónáit, décharbónáit agus hiodrocsaíd dul tríd an membrane AEM agus imoibriú le prótóin ag an gcomhéadan CEM/AEM chun gás CO2 agus uisce leachtach a tháirgeadh, rud a fhágann dí-áitiú BPM (Fíor 2f) agus, rud a fhágann teip cille sa deireadh.
Bunaithe ar na meicníochtaí feidhmíochta agus teipe den chumraíocht thuas, moltar ailtireacht MEA nua mar a thaispeántar i bhFíor 1c agus atá mionsonraithe i bhFíor 3a38. Anseo, soláthraíonn an ciseal PCEM cosán d'imirce aigéid fhormaigh agus ainian ón gcomhéadan CEM/AEM, rud a laghdaíonn carnadh na substainte. Ag an am céanna, treoraíonn an cosán idirmheánach PCEM aigéad formach isteach sa mheán scaipthe agus sa réimse sreafa, rud a laghdaíonn an fhéidearthacht go n-ocsaídeofar aigéad formach. Taispeántar na torthaí polaraithe ag baint úsáide as AEManna le tiús 80, 40 agus 25 mm i bhFíor 3b. Mar a bhíothas ag súil leis, cé go méadaíonn voltas foriomlán na cille de réir mar a mhéadaíonn tiús AEM, cuireann úsáid AEM níos tibhe cosc ​​ar ais-scaipeadh aigéid fhormaigh, rud a mhéadaíonn pH an chatóide agus a laghdaíonn táirgeadh H2 (Fíor 3c–e).
a Léaráid de struchtúr MEA le AEM agus CEM pollta agus conairí iompair aigéid fhormaigh éagsúla. b Voltas cille ag dlúis reatha éagsúla agus tiús AEM éagsúla. in EE ag dlúis reatha éagsúla le tiús AEM de 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm. Léiríonn barraí earráide an diall caighdeánach a tomhaiseadh ó thrí shampla ar leithligh. f Torthaí insamhalta ar thiúchan aigéid fhormaigh agus luach pH ag an gcomhéadan CEM/AEM ag tiús AEM éagsúla. f PC agus pH i gciseal catóide an chatalaíoch le tiús scannáin AEM éagsúla. g Dáileadh déthoiseach de thiúchan aigéid fhormaigh le comhéadan CEM/AEM agus pollta.
Taispeánann Fíor S2 dáileadh thiúchan agus pH aigéid fhormaigh trasna thiús an MEA ag baint úsáide as samhaltú eilimintí críochta Poisson-Nernst-Planck. Ní haon ionadh é go bhfeictear an tiúchan is airde d'aigéad formach, 0.23 mol/L, ag an gcomhéadan CEM/AEM, ós rud é go bhfoirmítear aigéad formach ag an gcomhéadan seo. Laghdaíonn tiúchan an aigéid fhormaigh tríd an AEM níos tapúla de réir mar a mhéadaíonn tiús an AEM, rud a léiríonn friotaíocht níos mó in aghaidh aistriú maise agus níos lú sreabhadh aigéid fhormaigh mar gheall ar ais-idirleathadh. Taispeánann Fíor 3f agus g na luachanna pH agus aigéid fhormaigh sa leaba chatalaíoch catóide de bharr ais-idirleathadh agus an dáileadh déthoiseach de thiúchan aigéid fhormaigh, faoi seach. Dá tanaí an membrane AEM, is airde tiúchan an aigéid fhormaigh in aice leis an gcatóid, agus éiríonn pH an chatóide aigéadach. Dá bhrí sin, cé go mbíonn caillteanais ómachacha níos airde mar thoradh ar membrane AEM níos tibhe, tá siad ríthábhachtach chun ais-idirleathadh aigéid fhormaigh chuig an gcatóid a chosc agus íonacht ard an chórais aigéid fhormaigh FE a uasmhéadú. Ar deireadh, nuair a mhéadaíodh tiús an AEM go 80 μm, bhí FE >75% ann d'aigéad formach ag <2 V agus 300 mA/cm2 d'achar cealla 25 cm2.
Chun cobhsaíocht na hailtireachta seo atá bunaithe ar PECM a thástáil, coinníodh sruth na ceallraí ag 200 mA/cm2 ar feadh 55 uair an chloig. Taispeántar na torthaí foriomlána i bhFíor 4, agus tá torthaí na chéad 3 huaire an chloig aibhsithe i bhFíor S3. Agus an catalaíoch anóideach Pt/C á úsáid, mhéadaigh voltas na cille go géar laistigh den chéad 30 nóiméad (Fíor S3a). Thar thréimhse níos faide ama, d'fhan voltas na cille beagnach tairiseach, rud a thug ráta díghrádaithe de 0.6 mV/u (Fíor 4a). Ag tús na tástála, ba é 76.5% PV an aigéid fhormaigh a bailíodh ag an anóid agus ba é 19.2% PV an hidrigine a bailíodh ag an gcatóid. Tar éis na chéad uair an chloig tástála, thit an FE hidrigine go 13.8%, rud a léiríonn feabhas ar roghnaíocht formáite. Mar sin féin, thit ráta ocsaídiúcháin aigéid fhormaigh sa chóras go 62.7% in 1 uair an chloig, agus mhéadaigh ráta ocsaídiúcháin aigéid fhormaigh anóidigh ó bheagnach náid ag tús na tástála go 17.0%. Ina dhiaidh sin, d'fhan FE H2, CO, aigéad formach agus ráta ocsaídiúcháin anóideach aigéad formach cobhsaí le linn an turgnaimh. D'fhéadfadh an méadú ar ocsaídiú aigéad formach le linn na chéad uair an chloig a bheith mar gheall ar charnadh aigéid fhormaigh ag an gcomhéadan PCEM/AEM. De réir mar a mhéadaíonn tiúchan an aigéid fhormaigh, ní hamháin go dtéann sé amach trí pholl an scannáin, ach scaipeann sé tríd an FEM féin agus téann sé isteach sa chiseal anóid Pt/C. Ós rud é gur leacht é aigéad formach ag 60°C, is féidir lena charnadh fadhbanna aistrithe maise a chruthú agus ocsaídiú roghnach a bheith mar thoradh air thar hidrigin.
a Voltas cille i gcoinne ama (200 mA/cm2, 60 °C). Taispeánann an t-inset íomhá micreascóp optúil de thrasghearradh de MEA le EM pollta. Barra scála: 300 µm. b Íonacht PE agus aigéid fhormaigh mar fheidhm ama ag 200 mA/cm2 ag baint úsáide as anóid Pt/C.
Rinneadh tréithriú na samplaí ag tús na tástála (BOT) le linn ullmhúcháin agus ag deireadh na tástála (EOT) tar éis 55 uair an chloig de thástáil cobhsaíochta ag baint úsáide as tomagrafaíocht ríomhairithe nana-X-gha (nana-CT), mar a thaispeántar i bhFíor 5 a. Tá méid cáithníní catalaíoch níos mó ag an sampla EOT le trastomhas 1207 nm i gcomparáid le 930 nm do BOT. Taispeántar íomhánna micreascópacht leictreon tarchurtha scanadh réimse dorcha fáinneach ard-uillinn (HAADF-STEM) agus torthaí speictreascópacht X-gha fuinnimh-scaipthe (EDS) i bhFíor 5b. Cé go bhfuil an chuid is mó de na cáithníní catalaíoch níos lú chomh maith le roinnt comhthiomsú níos mó sa chiseal catalaíoch BOT, is féidir an ciseal catalaíoch a roinnt ina dhá réigiún ar leith i gcéim EOT: ceann amháin le cáithníní soladacha i bhfad níos mó agus an ceann eile le réigiúin níos scagach. Líon na gcáithníní níos lú. Taispeánann íomhá EDS go bhfuil na cáithníní soladacha móra saibhir i Bi, b'fhéidir Bi miotalach, agus go bhfuil na réigiúin scagach saibhir in ocsaigin. Nuair a oibrítear an chill ag 200 mA/cm2, beidh laghdú ar Bi2O3 mar thoradh ar phoitéinseal diúltach an chatóide, mar is léir ó thorthaí speictreascópacht ionsúcháin X-gha in situ a phléitear thíos. Léiríonn torthaí mapála HAADF-STEM agus EDS go dtéann Bi2O3 faoi phróiseas laghdaithe, rud a fhágann go gcaillfidh siad ocsaigin agus go gcomhiomlánaíonn siad i gcáithníní miotail níos mó. Deimhníonn patrúin difreactachta X-gha de na catóidí BOT agus EOT léirmhíniú na sonraí EDS (Fíor 5c): níor braitheadh ​​ach Bi2O3 criostalach sa chatóid BOT, agus fuarthas démhiotal criostalach sa chatóid EOT. Chun tuiscint a fháil ar éifeacht phoitéinseal an chatóide ar staid ocsaídiúcháin chatalaíoch catóide Bi2O3, athraíodh an teocht ó phoitéinseal ciorcaid oscailte (+0.3 V vs RHE) go -1.5 V (vs RHE). Breathnaítear go dtosaíonn an chéim Bi2O3 ag laghdú ag -0.85 V i gcoibhneas le RHE, agus léiríonn laghdú ar dhéine na líne bána i réigiún imeall an speictrim go laghdaítear Bi miotalach go 90% de RHE ag -1.1. V i gcoinne RHE (Fíor 5d). Beag beann ar an meicníocht, níl aon athrú mór ar roghnaíocht fhoriomlán an fhormáite ag an gcatóid, mar a thuartar ó H2 agus CO FE agus foirmiú aigéid fhormaigh, in ainneoin athruithe suntasacha i moirfeolaíocht an chatóide, staid ocsaídiúcháin an chatalaíoch, agus struchtúr micreachriostalach.
a Struchtúr tríthoiseach den chiseal catalaíoch agus dáileadh na gcáithníní catalaíoch a fuarthas ag baint úsáide as CT nana-X-gha. Barra scála: 10 µm. b Barr 2: Íomhánna HAADF-STEM de shraitheanna catóide catalaíoch BOT agus EOT. Barra scála: 1 µm. Bun 2: Íomhánna HADF-STEM agus EDX méadaithe den chiseal catóide den chatalaíoch EOT. Barra scála: 100 nm. c Patrúin difreactachta X-gha de shamplaí catóide BOT agus EOT. d Speictrim ionsúcháin X-gha in situ d'leictreoid Bi2O3 i 0.1 M KOH mar fheidhm de phoitéinseal (0.8 V go -1.5 V vs. RHE).
Chun a fháil amach go díreach cad iad na deiseanna atá ann chun éifeachtúlacht fuinnimh a fheabhsú trí ocsaídiú aigéid fhormaigh a chosc, úsáideadh leictreoid tagartha H2 chun rannchuidiú an chaillteanais voltais39 a aithint. Ag dlúis reatha níos lú ná 500 mA/cm2, fanann poitéinseal an chatóide faoi bhun -1.25 V. Tá an poitéinseal anóideach roinnte ina dhá phríomhchuid: an dlús reatha malairte HOR agus an róvoltas teoiriciúil HOR 40 a thuar an chothromóid Bulter-Volmer a tomhaiseadh roimhe seo, agus is mar gheall ar ocsaídiú aigéid fhormaigh atá an chuid eile. Mar gheall ar chinéitic imoibrithe i bhfad níos moille i gcomparáid le HOR41, is féidir leis an ráta beag imoibrithe ocsaídiúcháin aigéid fhormaigh ag an anóid méadú suntasach a chruthú ar an bpoitéinseal anóideach. Léiríonn na torthaí gur féidir le cosc ​​iomlán ar ocsaídiú anóideach aigéid fhormaigh róvoltas beagnach 500 mV a dhíchur.
Chun an meastachán seo a thástáil, athraíodh ráta sreafa an uisce dí-ianaithe (DI) ag ionraon an anóid chun tiúchan an aigéid fhormaigh eisiltigh a laghdú. Taispeánann Fíoracha 6b agus c FE, tiúchan aigéid fhormaigh, agus voltas na cille mar fheidhm de shreabhadh DI ag an anóid ag 200 mA/cm2. De réir mar a mhéadaigh ráta sreafa an uisce dí-ianaithe ó 3.3 mL/nóim go 25 mL/nóim, laghdaigh tiúchan an aigéid fhormaigh ag an anóid ó 0.27 mol/L go 0.08 mol/L. I gcomparáid leis sin, ag baint úsáide as an struchtúr ceapaire a mhol Xia et al. 30, fuarthas tiúchan aigéid fhormaigh de 1.8 mol/L ag 200 mA/cm2. Feabhsaíonn laghdú an tiúchain FE foriomlán an aigéid fhormaigh agus laghdaíonn sé FE H2 de réir mar a éiríonn pH an chatóide níos alcaileach mar gheall ar laghdú ar ais-idirleathadh aigéid fhormaigh. Chuir an tiúchan laghdaithe aigéid fhormaigh ag an sreabhadh DI uasta deireadh le ocsaídiú aigéid fhormaigh beagnach freisin, rud a d’fhág go raibh voltas iomlán cille beagán faoi bhun 1.7 V ag 200 mA/cm2 ann. Bíonn tionchar ag teocht na ceallraí ar fheidhmíocht fhoriomlán freisin, agus taispeántar na torthaí i bhFíor S10. Mar sin féin, is féidir le hailtireachtaí bunaithe ar PCEM feabhas suntasach a chur ar éifeachtúlacht fuinnimh maidir le hocsaídiú aigéid fhormaigh a chosc, bíodh sé trí úsáid a bhaint as catalaíoch anóideach le roghnaíocht hidrigine fheabhsaithe i dtreo aigéid fhormaigh nó trí oibriú na feiste.
a Miondealú voltais cille ag baint úsáide as leictreoid tagartha cille H2 ag feidhmiú ag 60 °C, anóid Pt/C agus AEM 80 µm. b Tiúchain FE agus aigéid fhormaigh bailithe ag 200 mA/cm2 ag baint úsáide as rátaí sreafa éagsúla uisce dí-ianaithe anóideach. c Nuair a bhailíonn an anóid aigéad formach i dtiúchain éagsúla, is é 200 mA/cm2 voltas na cille. Léiríonn barraí earráide an diall caighdeánach ó thrí thomhas éagsúla. d An praghas díola íosta miondealú de réir feidhmíochta ag rátaí sreafa éagsúla uisce dí-ianaithe ag baint úsáide as meánphraghsanna leictreachais tionsclaíocha náisiúnta de US$0.068/kWh agus US$4.5/kg hidrigine. (*: Glactar leis gurb é 10 M FA an staid ocsaídiúcháin íosta d'aigéad formach ag an anóid, is é $0.068/kWh an meánphraghas leictreachais tionsclaíoch náisiúnta, agus is é $4.5/kg an hidrigin. **: Glactar leis gurb é aigéad formach an staid ocsaídiúcháin íosta. Is é 1.3 M anóid tiúchan an FA ag an anóid, is é $0.03/kWh an praghas leictreachais a bhfuiltear ag súil leis amach anseo, agus léiríonn an líne poncaithe praghas margaidh 85 wt% FA.
Rinneadh anailís theicneacnamaíoch (TEA) chun an praghas díola íosta a fháil do na tionóil breosla faoi raon coinníollacha oibriúcháin, mar a thaispeántar i bhFíor 5d. Is féidir modhanna agus sonraí cúlra le haghaidh TEA a fháil san SI. Nuair a bhíonn tiúchan an LC i sceite anóid níos airde, in ainneoin an voltais cille níos airde, laghdaítear costas foriomlán an tionóil breosla mar gheall ar an laghdú ar chostas deighilte. Más féidir ocsaídiú anóideach aigéid fhormaigh a íoslaghdú trí fhorbairt catalaíoch nó teicneolaíocht leictreoid, laghdódh an teaglaim de voltas cille níos ísle (1.66 V) agus tiúchan FA níos airde san eisilteach (10 M) costas táirgthe FA leictriceimiceach go 0.74 dollar SAM/kg (bunaithe ar leictreachas). praghas) $0.068/kWh agus $4.5/kg hidrigin42. Thairis sin, nuair a chuirtear le chéile é leis an gcostas réamh-mheasta amach anseo ar leictreachas in-athnuaite de $0.03/kWh agus hidrigin de $2.3/kg, laghdaítear an sprioc fuíolluisce FA go 1.3 milliún, rud a fhágann go bhfuil costas táirgthe réamh-mheasta deiridh US$0.66/kg43. Tá sé seo inchomparáide le praghsanna reatha an mhargaidh. Dá bhrí sin, d’fhéadfadh iarrachtaí amach anseo atá dírithe ar ábhair agus struchtúir leictreoid anóidiú a laghdú tuilleadh agus oibriú ag voltais chealla níos ísle á cheadú chun tiúchain LC níos airde a tháirgeadh.
Mar achoimre, rinneamar staidéar ar roinnt struchtúr MEA gan bhearna le haghaidh laghdú CO2 go haigéad formach agus mholamar struchtúr ina bhfuil scannán dépholach ilchodach claonta ar aghaidh lena n-áirítear scannán malartaithe caitian pollta (PECM) chun an comhéadan aistrithe maise scannáin don aigéad formach mar thoradh air a éascú. . Gineann an chumraíocht seo >96% aigéad formach ag tiúchain suas le 0.25 M (ag ráta sreafa anóid DI de 3.3 mL/nóim). Ag rátaí sreafa DI níos airde (25 mL/nóim), sholáthair an chumraíocht seo dlús reatha >80% FE de 200 mA/cm2 ag 1.7 V ag baint úsáide as achar cealla 25 cm2. Ag rátaí measartha DI anóideacha (10 mL/nóim), choinnigh an chumraíocht PECM voltas cobhsaí agus leibhéil arda FE aigéad formach ar feadh 55 uair an chloig de thástáil ag 200 mA/cm2. Is féidir an chobhsaíocht agus an roghnaíocht ard a bhaintear amach le catalaíoch atá ar fáil go tráchtála agus ábhair scannáin pholaiméireacha a fheabhsú tuilleadh trí iad a chomhcheangal le leictreacatalaíoch optamaithe. Díreofar saothar ina dhiaidh sin ar choigeartú a dhéanamh ar choinníollacha oibriúcháin, roghnaíocht chatalaíoch anóid, agus struchtúr MEA chun ocsaídiú aigéid fhormaigh a laghdú, rud a eascraíonn i n-eisilteach níos comhchruinnithe ag voltais cille níos ísle. Leis an gcur chuige simplí maidir le dé-ocsaíd charbóin a úsáid le haghaidh aigéid fhormaigh a chuirtear i láthair anseo, ní gá seomraí anailíte agus catalaíte, comhpháirteanna ceapaire, agus ábhair speisialtachta a bheith ann, rud a mhéadaíonn éifeachtúlacht fuinnimh na cille agus a laghdaíonn castacht an chórais, rud a fhágann go bhfuil sé níos éasca é a scálú suas. Soláthraíonn an chumraíocht atá beartaithe ardán d’fhorbairt amach anseo ar ghléasraí comhshó CO2 atá inmharthana go teicniúil agus go heacnamaíoch.
Mura ndeirtear a mhalairt, úsáideadh na hábhair agus na tuaslagóirí de ghrád ceimiceach go léir mar a fuarthas iad. Ceannaíodh catalaíoch ocsaíd biosmat (Bi2O3, 80 nm) ó US Research Nanomaterials, Inc. Soláthraíodh púdar polaiméire (AP1-CNN8-00-X) ag IONOMR. Ceannaíodh N-própanól (nPA) den bhranda Omnisolv® agus uisce ultraíon (18.2 Ω, córas íonúcháin uisce Milli–Q® Advantage A10) ó Millipore Sigma. Ceannaítear meatánól agus aicéatón deimhnithe ACS ó VWR Chemicals BDH® agus Fisher Chemical, faoi seach. Meascadh an púdar polaiméire le meascán d'aicéatón agus meatánól i gcóimheas 1:1 de réir meáchain chun scaipeadh polaiméire a fháil le tiúchan 6.5% de réir meáchain. Ullmhaigh dúch catalaíoch trí 20g de Bi2O3, uisce ultraíon, nPA agus scaipeadh ianaiméire a mheascadh i ngloine 30ml. Bhí 30% de mheáchan catalaíoch sa chomhdhéanamh, cóimheas maise ianaiméir le catalaíoch de 0.02 agus cóimheas maise alcóil le huisce de 2:3 (40% de mheáchan nPA). Roimh mheascadh, cuireadh 70g d'ábhar meilte siorcóinia 5mm Glen Mills leis an meascán. Cuireadh samplaí ar shorcóir buidéil dhigiteach Fisherbrand™ ag 80 rpm ar feadh 26 uair an chloig. Lig don dúch suí ar feadh 20 nóiméad sular cuireadh i bhfeidhm é. Cuireadh dúch Bi2O3 i bhfeidhm ar chur i bhfeidhm uathoibríoch Qualtech (QPI-AFA6800) ag baint úsáide as athlíonadh sreinge saotharlainne 1/2″ x 16″ (RD Specialties – trastomhas 60 mil) ag 22°C. Cuireadh 5 mL de dhúch catalaíoch i bhfeidhm ar iompróir idirleata gáis carbóin Sigraacet 39 BB 7.5 x 8 orlach (stóráil cealla breosla) trí thaisceadh slat ag meánluas seasta de 55 mm/soic. Aistrigh na leictreoidí brataithe seo chuig oigheann agus triomaigh iad ag 80 °C. Taispeántar an próiseas sciath slat agus íomhánna den sciath GDE i bhFíor S4a agus b. Dheimhnigh ionstraim fluaraiseachta X-gha (XRF) (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) go raibh an luchtú GDE brataithe ag 3.0 mg Bi2O3/cm2.
I gcás cumraíochtaí membrane ilchodacha ina raibh membrane malartaithe anion (AEM) agus CEM pollta, úsáideadh Nafion NC700 (Chemours, SAM) le tiús ainmniúil 15 µm mar an tsraith CEM. Spraeáladh an catalaíoch anóideach go díreach ar an FEM le cóimheas ianaiméir le carbóin de 0.83 agus achar clúdaigh de 25 cm2. Úsáideadh platanam tacaithe le hachar dromchla mór (50% de réir meáchain Pt/C, TEC 10E50E, miotal lómhar TANAKA) le luchtú de 0.25 mg Pt/cm2 mar chatalaíoch anóid. Úsáideadh Nafion D2020 (Ion Power, SAM) mar ianaiméir do shraith anóid an chatalaíoch. Déantar polladh CEM trí línte comhthreomhara a ghearradh ar an scannán CEM ag eatraimh 3mm. Taispeántar sonraí an phróisis pollta i bhFígiúirí S12b agus c. Ag baint úsáide as tomagrafaíocht ríomhairithe X-gha, deimhníodh go raibh an bhearna pollta 32.6 μm, mar a thaispeántar i bhFíor S12d agus e. Le linn tionóil na cille, cuireadh scannán CEM pollta atá brataithe le catalaíoch ar pháipéar Toray 25 cm2 (cóireáilte le PTFE 5% de réir meáchain, Fuel Cell Store, SAM). Cuireadh scannán AEM (PiperION, Versogen, SAM) le tiús 25, 40 nó 80 μm ar bharr an CEM agus ansin ar an gcatóid GDE. Gearradh an scannán AEM i bpíosaí 7.5 × 7.5 cm chun an réimse sreafa iomlán a chlúdach agus sáithíodh thar oíche é i dtuaslagán hiodrocsaíde potaisiam 1 M roimh thionól. Úsáideann an anóid agus an catóid spásairí PTFE atá tiubh go leor chun comhbhrú GDE is fearr de 18% a bhaint amach. Taispeántar sonraí faoin bpróiseas tionóil ceallraí i bhFíor S12a.
Le linn na tástála, coinníodh an chill tionóilte ag 60 °C (30, 60, agus 80 °C le haghaidh staidéir spleáchais teochta) le 0.8 L/nóim de ghás hidrigine soláthraithe don anóid agus 2 L/nóim de dhé-ocsaíd charbóin soláthraithe don chatóid. Rinneadh na sruthanna aeir anóideacha agus catóideacha araon a thaiseadh ag 100% taiseachas coibhneasta agus 259 kPa brú catóideach absalóideach. Le linn oibríochta, meascadh an sruth gáis catóide le tuaslagán 1 M KOH ag ráta 2 mL/nóim chun úsáid leaba chatalaíoch an chatóide agus seoltacht ianach a chur chun cinn. Measc sruth gáis anóide le huisce dí-ianaithe ag ráta 10 ml/nóim chun aigéad formach a bhaint ag an anóid. Taispeántar sonraí faoi ionchuir agus aschuir na feiste i bhFíor S5. Tá CO2 sa ghás sceite catóide agus gintear CO agus H2 leis. Baintear an gal uisce trí chomhdhlúthadán (malartóir teasa ísealteochta ag 2 °C). Baileofar an gás atá fágtha le haghaidh anailíse uainiúcháin gáis. Rachaidh sreabhadh anóide trí chomhdhlúthadán freisin chun an leacht a dheighilt ón ngás. Bailítear an fuíolluisce i bhfialáin ghlana agus déanfar anailís air ag baint úsáide as cróiniméadracht leachtach chun an t-aigéad formach a tháirgtear a chainníochtú. Rinneadh tástálacha leictriceimiceacha ag baint úsáide as poitéinséad Garmy (uimhir thagartha 30K, Gamry, SAM). Sula ndearnadh an cuar polaraithe a thomhas, rinneadh an chill a riochtú 4 huaire sa raon ó 0 go 250 mA/cm2 ag baint úsáide as voltaiméadracht líneach le ráta scanadh de 2.5 mA/cm2. Fuarthas cuar polaraithe i mód galbhánastatach agus an chill á coinneáil ag dlús reatha áirithe ar feadh 4 nóiméad sula ndearnadh sampláil ar an ngás catóide agus ar an leacht anailíte.
Úsáidimid leictreoid tagartha hidrigine san MEA chun na poitéinsil catóide agus anóideacha a dheighilt. Taispeántar struchtúr an leictreoid tagartha i bhFíor S6a. Baineadh úsáid as scannán Nafion (Nafion 211, IonPower, SAM) mar dhroichead ianach chun an scannán MEA agus an leictreoid tagartha a nascadh. Ceanglaíodh foirceann amháin den stiall Nafion le leictreoid idirleata gáis (GDE) 1 cm2 a bhí luchtaithe le 0.25 mg Pt/cm2 (50% de réir meáchain Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) a spútaraíodh ar pháipéar carbóin 29BC (Fuel Cell Store, SAM). Úsáidtear crua-earraí speisialta polaitéireataircéatóin (PEEK) chun séalú gáis agus chun dea-theagmháil a chinntiú idir na stiallacha GDE agus Nafion, agus chun an leictreoid tagartha a nascadh leis an gcrua-earraí cille breosla. Tá an foirceann eile den stiall Nafion ceangailte leis an imeall atá ag gobadh amach den cheallraí CEM. Taispeánann Fíor S6b trasghearradh an leictreoid tagartha atá comhtháite leis an MEA.
Tar éis don ghás sceite dul tríd an gcomhdhlúthadán agus an deighilteoir gáis-leachta, tógtar samplaí gáis ón gcatóid. Rinneadh anailís ar an ngás bailithe trí huaire ar a laghad ag baint úsáide as 4900 Micro GC (criathar móilíneach 10 μm, Agilent). Bailíodh na samplaí i málaí sampla gáis scragall alúmanaim ilchisealacha táimhe Supel™ (Sigma-Aldrich) ar feadh tréimhse sonraithe ama (30 soicind) agus cuireadh de láimh isteach sa chrómatagraf micreagáis iad laistigh de dhá uair an chloig ón mbailiúchán. Socraíodh an teocht insteallta ag 110°C. Scaradh aonocsaíd charbóin (CO) agus hidrigin (H2) ar cholún MS5A 10 m téite (105 °C) brúite (28 psi) ag baint úsáide as argón (Matheson Gas-Matheson Purity) mar an gás iompróra. Braitear na naisc seo ag baint úsáide as an Brathadóir Seoltachta Teirmeach (TCD) ionsuite. Taispeántar crómatagraim GC agus cuartha calabrúcháin CO agus H2 i bhFíor S7. Bailíodh samplaí aigéid fhormaigh leachta ón anóid ar feadh tréimhse sonraithe (120 soicind) agus scagadh iad ag baint úsáide as scagaire steallaire PTFE 0.22 μm isteach i bhfialáin 2 mL. Rinneadh anailís ar tháirgí leachtacha sna fialáin ag baint úsáide as córas crómatagrafaíochta leachta ardfheidhmíochta bith-thámha (HPLC) Agilent 1260 Infinity II, inar instealladh 20 μl den sampla trí uathshamplóir (G5668A) le céim shoghluaiste d'aigéad sulfarach 4 mM (H2SO4). ) ag ráta sreafa 0.6 ml/nóim (caidéal ceathrúnach G5654A). Scaradh na táirgí ar Aminex HPX-87H 300 × 7.8 mm téite (35°C, oigheann colúin G7116A) agus colún garda Micro-Guard Cation H roimhe. Braitheadh ​​aigéad formaigh ag baint úsáide as brathadóir eagar dé-óid (DAD). ag tonnfhad 210 nm agus bandaleithead 4 nm. Taispeántar crómatagram HPL agus cuar calabrúcháin chaighdeánach aigéid fhormaigh i bhFíor S7.
Ríomhtar na táirgí gáis (CO agus H2) FE ag baint úsáide as an gcothromóid seo a leanas, agus ríomhtar na móil iomlána gáis ag baint úsáide as an gcothromóid gáis idéalach:
Ina measc: \({n}_{i}\): líon na leictreon in imoibriú leictriceimiceach. \(F\): tairiseach Faraday. \({C}_{i}\): tiúchan táirge leachtaigh HPLC. \(V\): toirt an tsampla leachtaigh a bailíodh thar thréimhse sheasta t. \(j\): dlús reatha. \(A\): achar geoiméadrach an leictreoid (25 cm2). \(t\): tréimhse ama samplála. \(P\): brú absalóideach. \({x}_{i}\): céatadán móil gáis arna chinneadh ag GC. \(R\): tairiseach gáis. \(T\): teocht.
Rinneadh cainníochtú ar thiúchan na gcaitian anóideach ag baint úsáide as speictreascópacht astaíochta adamhach plasma cúpláilte go hionduchtach (ICP-OES). I measc na gcaitian a d'fhéadfadh sceitheadh ​​nó scaipeadh isteach san anóid tá Ti, Pt, Bi agus K. Seachas K, bhí na caitian eile go léir faoi bhun na teorann braite. Cruthaíonn siad iain sa tuaslagán ag fágáil an anóid chun péireáil le prótóin nó le caitian eile. Dá bhrí sin, is féidir íonacht aigéad formach a ríomh mar
Léiríonn táirgeadh formáite/sóidiam (FA) an méid FA a tháirgtear in aghaidh an kWh leictreachais a ídítear ag baint úsáide as cumraíocht MEA ar leith, i mol/kWh. Ríomhtar é bunaithe ar dhlús reatha, voltas cille agus éifeachtúlacht Faraday faoi dhálaí oibriúcháin sonracha.
Ríomh an méid aigéid fhormaigh a ocsaídíodh ag an anóid bunaithe ar an gcothromaíocht maise foriomlán. Tarlaíonn trí imoibriú iomaíocha ag an gcatóid: éabhlóid hidrigine, laghdú CO2 go CO, agus laghdú CO2 go haigéad formach. Ós rud é go bhfuil próiseas ocsaídiúcháin aigéid fhormaigh againn in Anton, is féidir aigéad formach FE a roinnt ina dhá chuid: bailiú aigéid fhormaigh agus ocsaídiú aigéid fhormaigh. Is féidir an chothromaíocht maise foriomlán a scríobh mar:
Bhaineamar úsáid as GC chun na méideanna aigéid fhormaigh, hidrigine, agus CO a bailíodh le HPLC a chainníochtú. Ba chóir a thabhairt faoi deara gur bailíodh an chuid is mó den aigéad formaigh ón anóid ag baint úsáide as an socrú a thaispeántar i bhFíor Forlíontach S5. Tá an méid formáite a bailíodh ón seomra catóide neamhshuntasach, thart ar dhá ord méide níos lú, agus is ionann é agus níos lú ná 0.5% den mhéid iomlán SC.
Tá an tsamhail iompair leanúnaigh a úsáidtear anseo bunaithe ar obair roimhe seo ar chórais chomhchosúla34. Úsáidtear córas cúpláilte cothromóidí Poisson-Nerst-Planck (PNP) chun tiúchan uisce agus poitéinseal leictreastatach a chinneadh i gcéimeanna leictreonacha agus ianacha. Tugtar forbhreathnú mionsonraithe ar na cothromóidí bunúsacha agus ar gheoiméadracht an tsamhail san SI.
Cinneann an córas seo tiúchan ocht substaint uiscí (\({{{{{{{{\rm{C}}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}}_{2 \left ({{{{{{{\rm{aq}}}}}}\right)}\), \({{{{{{{\rm{H}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{{\rm{HCOOH}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}}^{- }\) agus \({{{ {{{\rm{K}}}}}}^{+}\)), poitéinseal leictreastatach sa chéim sheolta ianach (\({\phi }_{I}\ )) agus seoltacht leictreon anóideach agus catóideach. Poitéinsil leictreastatacha i gcéimeanna (\({\phi }_{A}\) agus \({\phi }_{C}\) faoi seach). Ina áit sin, ní bhaintear amach neodracht leictreach áitiúil ná feidhmeanna dáilte luchta, réitítear an réigiún luchta spáis go díreach ag baint úsáide as cothromóid Poisson; Ligeann an cur chuige seo dúinn éifeachtaí éaradh Donnan a shamhaltú go díreach ag na comhéadain CEM|AEM, CEM|Pore, agus AEM|Pore. Ina theannta sin, úsáidtear teoiric leictreoid scagach (PET) chun cur síos a dhéanamh ar an iompar luchta i sraitheanna anóideacha agus catóideacha an chatalaíoch. Chomh fada agus is eol do na húdair, is ionann an saothar seo agus an chéad fheidhmchlár de PET i gcórais a bhfuil réigiúin luchta spáis iolracha acu.
Rinneadh tástáil ar shamplaí catóide GDE BOT agus EOT ag baint úsáide as Zeiss Xradia 800 Ultra le foinse X-gha 8.0 keV, modhanna ionsúcháin agus réimse leathan, agus comhleá íomhá1. Bailíodh 901 íomhá ó -90° go 90° le ham nochta 50 soicind. Rinneadh atógáil ag baint úsáide as scagaire teilgean cúil le méid voxel de 64 nm. Rinneadh anailís ar dheighilt agus ar dháileadh méid na gcáithníní ag baint úsáide as cód scríofa go speisialta.
Baineann tréithriú micreascópach leictreon le na MEAnna tástála a leabú i roisín eapocsa mar ullmhúchán le haghaidh rannánú ultrathanaí le scian diamant. Gearradh trasghearradh gach MEA go tiús 50 go 75 nm. Baineadh úsáid as micreascóp leictreon tarchurtha Talos F200X (Thermo Fisher Scientific) le haghaidh tomhais micreascópachta leictreon tarchurtha scanála (STEM) agus speictreascópachta X-ghathaithe scaipthe fuinnimh (EDS). Tá córas EDS Super-X feistithe ar an micreascóp le 4 bhrathadóir SDD gan fhuinneog agus oibríonn sé ag 200 kV.
Fuarthas patrúin difreactaithe X-gha púdair (PXRD) ar dhifreactóiméadar X-gha púdair Bruker Advance D8 le radaíocht Cu Kα scagtha le Ni ag feidhmiú ag 40 kV agus 40 mA. Tá an raon scanadh ó 10° go 60°, is é 0.005° méid na céime, agus is é 1 soicind in aghaidh na céime luas fála sonraí.
Rinneadh an speictream RAS ag imeall an chatalaíoch Bi2O3 BiL3 a thomhas mar fheidhm den phoitéinseal ag baint úsáide as cill bhaile. Ullmhaíodh dúch ianaiméire catalaíoch Bi2O3 ag baint úsáide as 26.1 mg de Bi2O3 measctha le 156.3 μL de thuaslagán ianaiméire (6.68%) agus neodraithe le 1 M KOH, uisce (157 μL) agus alcól isopropil (104 μL) chun dúch ianaiméire a fháil. Is é 0.4 comhéifeacht an chatalaíoch. Cuireadh an dúch i bhfeidhm ar bhileoga graiféine i spotaí dronuilleogacha (10 × 4 mm) go dtí gur shroich an t-ualach catalaíoch Bi2O3 0.5 mg/cm2. Tá an chuid eile den bhileog graiféine brataithe le Kapton chun na ceantair seo a leithlisiú ón leictrilít. Cuireadh an bhileog graiféine atá brataithe le catalaíoch isteach idir dhá PTFE agus daingníodh í le corp na cille (PEEK) le scriúnna, Fíor S8. D'fhóin Hg/HgO (1 M NaOH) mar an leictreoid tagartha, agus d'fhóin páipéar carbóin mar an leictreoid frithpháirteach. Rinneadh an leictreoid tagartha Hg/HgO a chalabrú ag baint úsáide as sreang platanam tumtha i 0.1 M KOH sáithithe le hidrigin chun na poitéinseal tomhaiste go léir a thiontú go scála leictreoid hidrigine inchúlaithe (RHE). Fuarthas speictrim XRD trí mhonatóireacht a dhéanamh ar phoitéinseal leictreoid oibre bileog Bi2O3/grafáin tumtha i 0.1 M KOH, téite go 30 °C. Scaipeann an leictrilít sa cheallraí, agus an t-ionraon leictrilít ag bun na cille agus an t-asraon ag an mbarr chun a chinntiú go ndéanann an leictrilít teagmháil leis an tsraith chatalaíoch nuair a fhoirmíonn boilgeoga. Baineadh úsáid as poitéinsil CH Instruments 760e chun poitéinseal oibre an leictreoid a rialú. Ba phoitéinseal ciorcaid oscailte an seicheamh poitéinsil: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 agus +700 mV ag brath ar RHE. Tá na poitéinseal iR go léir coigeartaithe.
Rinneadh speictreascópacht struchtúr mín ionsúcháin X-ghathaithe imeall Bi L3 (~13424 eV do mhiotal Bi) ar chainéal 10-ID, Foinse Fótón Ardleibhéil (APS), Saotharlann Fluaraiseachta Náisiúnta Argonne. Saotharlann Náisiúnta Tomhais Múnla. ​​Baineadh úsáid as monacrómatóir dhá chriostal Si(111) fuaraithe le nítrigin leachtach chun fuinneamh an X-ghathaithe a choigeartú, agus baineadh úsáid as scáthán brataithe le róidiam chun an t-ábhar armónach a mhaolú. Athraíodh fuinnimh scanadh ó 13200 go 14400 eV, agus tomhaiseadh an fhluaraiseacht ag baint úsáide as eagar dé-óid sileacain PIN 5 × 5 gan scagairí ná scoilteanna Soller. Calabraítear fuinneamh trasnaithe nialas an dara díorthaigh ag 13271.90 eV trí imeall L2 an scragall Pt. Mar gheall ar thiús na cille leictriceimiceach, ní raibh sé indéanta speictream an chaighdeáin tagartha a thomhas ag an am céanna. Dá bhrí sin, is é ±0.015 eV an t-athrú scanadh-go-scanadh ríofa i bhfuinneamh X-ghathaithe teagmhais bunaithe ar thomhais arís agus arís eile ar fud an turgnaimh. Mar thoradh ar thiús an tsraithe Bi2O3, bíonn méid áirithe féin-ionsúcháin ar fhluaraiseacht ann; coinníonn na leictreoidí treoshuíomh seasta i gcoibhneas leis an bhíoma teagmhais agus leis an brathadóir, rud a fhágann go bhfuil na scananna go léir beagnach mar a chéile. Baineadh úsáid as speictream XAFS gar-réimse chun staid ocsaídiúcháin agus foirm cheimiceach biosmat a chinneadh trí chomparáid a dhéanamh le réigiún XANES na gcaighdeán Bi agus Bi2O3 ag baint úsáide as an algartam feistithe teaglaim líneach de bhogearraí Athena (leagan 0.9.26). de réir cód IFEFFIT 44.
Tá na sonraí a thacaíonn leis na figiúirí san alt seo agus le conclúidí eile an staidéir seo ar fáil ón údar comhfhreagrach ar iarratas réasúnta.
Crandall BS, Brix T., Weber RS ​​agus Jiao F. Measúnú teicneacnamaíoch ar shlabhraí soláthair meán glas H2. Energy Fuels 37, 1441–1450 (2023).
Younas M, Rezakazemi M, Arbab MS, Shah J agus Rehman V. Stóráil agus seachadadh hidrigine glas: díhiodráiniú aigéid fhormaigh ag baint úsáide as catalaíoch aonchineálach agus héiteargineach atá an-ghníomhach. idirnáisiúntacht. J. Gidrogr. Fuinneamh 47, 11694–11724 (2022).
Nie, R. et al. Dul chun cinn le déanaí i hidriginiú aistrithe catalaíoch aigéid fhormaigh thar chatalaíoch miotail trasdultacha héitearagéineacha. Catalóg AKS. 11, 1071–1095 (2021).
Rahimi, A., Ulbrich, A., Kuhn, JJ, agus Stahl, SS Dípholaiméiriú lignin ocsaídithe go comhdhúile aramatacha spreagtha ag aigéad formach. Nature 515, 249–252 (2014).
Schuler E. et al. Feidhmíonn aigéad formach mar idirmheánach tábhachtach le haghaidh úsáid CO2. green. Chemical. 24, 8227–8258 (2022).
Zhou, H. et al. Codánú tapa neamh-millteach (≤15 nóiméad) bithmhaise ag baint úsáide as aigéad formach sreafa tríd chun feabhas foriomlán a chur ar ábhar carbaihiodráit agus lignin. Ceimic agus Ceimic 12, 1213–1221 (2019).
Calvi, CH et al. Fás feabhsaithe Cupriavidus necator H16 ar fhormáid ag baint úsáide as innealtóireacht faisnéise éabhlóideach saotharlainne oiriúnaitheach. Meitibilítí. innealtóir. 75, 78–90 (2023).
Ishai, O. agus Lindner, SN Gonzalez de la Cruz, J., Tenenboim, H. agus Bar-Even, A. Bith-eacnamaíocht formáidí. reatha. Tuairim. Ceimiceach. bitheolaíocht. 35, 1–9 (2016).