Поддержание энергетической независимости Америки
Для обеспечения энергетической независимости Америки необходимо минимизировать зависимость от иностранных стран в производстве товарных химикатов и топлива. Одним из способов диверсификации отечественного сырья является использование углекислотных электролизеров для производства ценных химических прекурсоров, таких как этилен. Однако до сих пор эти устройства ограничивались низкой эффективностью, что делает их энергоёмкими и дорогостоящими.
Новое исследование
В новом исследовании, опубликованном в журнале [Chem Catalysis](https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(25)00235-0), учёные из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали новый тип полимерных чернил, называемый иономером, который контролирует движение газа и воды в электрохимических устройствах.
Благодаря тщательному балансированию и регулированию химии устройства, иономеры повышают энергоэффективность процесса преобразования.
«Добавление правильного иономера снизило общее напряжение, необходимое для работы устройства», — сказал учёный LLNL и автор Адитья Праджапати. «Это означает, что устройству требуется меньше электроэнергии для производства того же количества продукции».
Иономер как ключевой компонент
Иономер — это небольшая, но важная часть электрохимического устройства.
«Наше устройство размером с сэндвич, с несколькими тонкими слоями, сложенными вместе. Газ углекислого газа поступает с одной стороны, а электричество запускает реакцию внутри», — сказал постдокторант LLNL и автор Николас Кросс.
Внутри устройства углекислый газ встречает слой медного катализатора, который запускает реакцию превращения его в этилен — основу для пластмасс. Иономер был нанесён в виде покрытия на этот медный слой.
«Вы можете представить иономер как контролёра движения молекул: он контролирует химию поверхности катализатора и следит за тем, чтобы нужное количество воды и углекислого газа достигало катализатора», — сказал учёный LLNL и автор Максвелл Голдман. «Без него слишком много воды может затопить устройство, а слишком мало — привести к тому, что реакция остановится».
Иономер поддерживает баланс реакции, что снижает энергию, необходимую для производства ценных продуктов, таких как этилен.
Создание иономера
Для создания этого важного контролёра команда тщательно прикрепила химические вещества к стабильной полимерной основе. Они протестировали устройство с иономером и без него и изучили ряд иономеров с разным водопоглощением.
«Мы обнаружили, что количество воды, которое удерживает иономер — «содержание воды» — является мощным рычагом, который контролирует количество производимого этилена», — сказал учёный LLNL и автор Крис Хан. «Слишком мало иономера, и устройство затапливается; слишком много — и оно тратит энергию. Нахождение правильного баланса позволило нам запустить устройство с высокой производительностью и низким напряжением».
Исследователи подчеркнули, что улучшение производительности устройства и глубокое понимание иономера стали возможны благодаря сочетанию полимерной химии, экспериментов и мультифизического моделирования. Они надеются, что эта работа послужит руководством для разработки следующего поколения полимеров в электрохимических устройствах.
Предоставлено
[Lawrence Livermore National Laboratory](https://phys.org/partners/lawrence-livermore-national-laboratory/)