I vissa delar av världen har man lyckats så bra med att producera billig förnybar el att vi ibland har för mycket av den. Ett möjligt användningsområde för den billiga energin: Omvandling av koldioxid till bränsle och andra produkter med hjälp av en enhet som kallas membranelektrodsammansättning.
Ett team av forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California Berkeley har utvecklat en ny metod för att förstå denna lovande teknik via fysikalisk modellering. Uppsatsen, som publicerades i tidskriften Nature Chemical Engineering, kan hjälpa forskare att lära sig hur man kan förbättra effektiviteten i membranelektrodmonteringen.
Koldioxid kan omvandlas till värdefulla råvaror som kolmonoxid och eten, som tillverkare använder för att tillverka produkter, inklusive kemikalier och förpackningar. Ett sätt att göra detta är med membranelektrodsammansättningar, som är enheter som består av två elektroder åtskilda av ett membran.
Membran-elektrodsammansättningar används även i bränsleceller som omvandlar vätgas till elektricitet, och de är lovande för att kunna använda överskott av förnybar energi för att driva reaktionssekvenser som katalyserar koldioxid till andra kemikalier. Men dessa enheter har problem med effektiviteten, och deras funktion är ännu inte helt klarlagd.
”Membran-elektrodsammansättningar är komplicerade system med flera lager. Varje lager innehåller olika kemiska arter, tillsatser och partiklar”, säger Adam Weber, seniorforskare vid Berkeley Lab och motsvarande författare till studien.
”Ofta vet vi inte riktigt varför experiment med membranelektrodsammansättningar ger vissa produkter, eller varför de inte lyckas omvandla en större andel av en viss mängd koldioxid.”
Forskare vid Berkeley Lab har utvecklat en digital modell för att påskynda optimeringen av membran-elektrodsammansättningar för att omvandla CO2 till bränsle och andra produkter. Kredit: Justin Bui, Francisco Galang och Samantha Trieu/Berkeley Lab
Datormodellering kan hjälpa till att förutsäga vilka enhetsparametrar som ger bäst resultat, men de tenderar att vara mindre exakta när det gäller att förutse problem som crossover, vilket är när koldioxid rör sig över membranet istället för att reagera. För att förbättra modellens noggrannhet använde sig forskarna av Marcus-Hush-Chidseys kinetik, en teori som tidigare inte hade integrerats i modelleringen av membran-elektrodsammansättningar och som har visat sig vara avgörande för att förstå reaktionsmekanismen.
Forskarna validerade sin modell mot experimentella data och fann att den gjorde ett bättre jobb med att förutsäga verkliga resultat än tidigare modeller. Bland andra fördelar gjorde användningen av Marcus-Hush-Chidsey-kinetik det möjligt att redogöra för vattenorienteringens roll.
Teamet körde sedan virtuella experiment med sin modell för att undersöka hur olika membran-elektrodmonteringsdesigner fungerade när det gäller koldioxidutnyttjande och selektivitet för önskade produkter. ”Med det här arbetet har vi visat hur man kan utnyttja kemitekniska principer för de här avancerade teknikerna som håller på att tas i bruk”, säger han. ”Det ger oss insikter och idéer för att optimera celldesignen och materialen så att vi kan gå vidare och tillverka dem.”
Några av de variabler som teamet testade virtuellt inkluderade katalysatorskiktets tjocklek och katalysatorspecifik ytarea. De upptäckte också designregler kring vikten av kopplad jon- och vattentransport, samt avvägningar mellan transportfenomen och reaktions- och buffertkinetik. Alla dessa faktorer påverkar den totala energieffektiviteten, de erhållna produkterna och mängden koldioxid som omvandlas.
”Med en digital tvilling av ett system kan man undersöka ett mycket större parameterutrymme mycket snabbare än i experiment, som vanligtvis är komplexa och kräver specialutrustning”, säger Weber och tillägger: ”Vi kan inte se var varje molekyl befinner sig i ett experiment. Men i en modell kan vi det.”
Weber säger att nästa steg i forskningen är att öka modellens komplexitet för att bland annat kunna titta på prestanda under en membran-elektrodsammansättnings livstid.
Ytterligare information: Eric W. Lees et al, Exploring CO2 reduction and crossover in membrane electrode assemblies, Nature Chemical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s44286-024-00062-0
