يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

إنتاج الوقود الكهروكيميائي الأخضر الذي يعمل بالطاقة الشمسية من ثاني أكسيد الكربون2 والمياه باستخدام محفزات CuZn و NiCo المدعومة من Ti3C2Tx MXene

2.1K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/68870

⸱

نوفمبر 7, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Materials Discovery, University College London, 2School of Materials Engineering, Purdue University, 3School of Mechanical Engineering, Purdue University

في هذه المقالة

ملخص

يوجه هذا البروتوكول التصنيع والتحليل الكهروكيميائي للمحفزات الكهربائية ثنائية المعدن CuZn و NiCo المدعومة ب MXene لإنتاج الوقود الأخضر من ثاني أكسيد الكربون والماء باستخدام الطاقة الشمسية.

الملخص

يصف هذا البروتوكول التوليف ورسم خرائط النشاط للكاثودات ثنائية المعدن المدعومة ب MXene لتقليل ثاني أكسيد الكربون (CO2R) والأنودات لتقسيم المياه باستخدام الطاقة الشمسية في الوسائط القلوية. تم استخدام تقنية الترسيب الكهربائي لنبض التيار العكسي للتحكم في البنية النانوية ، وصقل الحبوب ، وتكوين السبائك للأقطاب الكهربائية المصنعة. كل من الأنودات والكاثودات خالية من المعادن النبيلة ومدعومة بكربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد (2D) (Ti3C2Tx) MXene ، مما يقلل من مقاومة التلامس ويسهل نقل الشحنة من الركيزة إلى المواد المتفاعلة عبر المحفزات. يتم استخدام زنك النحاس (CuZn) المدعوم على Ti3C2Tx MXene ككاثودات لإنتاج الميثانول في تحويل ثاني أكسيد الكربون2 المحفز الحراري ، وهنا أظهرنا أدائها في تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي2 (CO2R) لأول مرة. يتم تصنيع الكوبالت من النيكل (NiCo) المدعوم على Ti3C2T x MXene بالمثل عن طريق الترسيب الكهربائي النبضي ويتم اختباره كأنودات للتحليل الكهربائي للماء مدفوعا بخلية شمسية في ظل ظروف معملية مبسطة. يصف النشاط أيضا التوصيف الهيكلي للأغشية الرقيقة المعدنية. تم توضيح الإعداد التفصيلي لدمج أحدث الخلايا الشمسية الترادفية المصنوعة من السيليكون البيروفسكايت مع الخلية الكهروكيميائية ، والتي بدورها تغذي كروماتوغرافيا الغاز المضمنة ، لكل من ثاني أكسيد الكربون2R والتحليل الكهربائي للماء (WE). يتم عرض إعداد يوضح بالتفصيل التحليل الكهربائي للماء في الظروف التجارية للمحاليل القلوية شديدة الكاوية (30٪ KOH) ، ودرجات الحرارة المرتفعة (60 درجة مئوية) ، وفي خلية خالية من الفجوة على الأنود المصنع المقترن بكاثود مطلي بالرش Pt / C.

المقدمة

يعد استبدال الوقود الأحفوري ببدائل عديمة الانبعاثات أمرا بالغ الأهمية لإزالة الكربون من قطاع الطاقة وزيادة استخدام الطاقة المتجددة1،2،3. أصبح تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO 2) إلى أول أكسيد الكربون (CO) والميثان (CH4) وأنواع الوقود الكربونية الأخرى طريقا مهما لمنع المزيد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون 2 وخلق اقتصاد دائري للكربون4. وبالمثل ، من المتوقع أن يؤدي استبدال الوقود الأحفوري بالهيدروجين عالي الكثافة للطاقة إلى تسريع انتقال الطاقة من الوقود الأحفوري إلى الوقود الخالي من الانبعاثات5،6،7،8. يمكن جعل نظام توليد الطاقة فعالا من حيث التكلفة وصديقا للبيئة باستخدام أشعة الشمس المباشرة9،10،11،12. يمكن أن يؤدي التحول إلى الطاقة الخضراء إلى نتائج اجتماعية واقتصادية إيجابية ، لا سيما من خلال تعزيز الآثار الاجتماعية وبالتالي زيادة رأس المال الاجتماعي المرتبط بتوليد الوقود الخالي من الانبعاثات13.

تم تخصيص مجموعة واسعة من الأبحاث للاختزال الكهروكيميائي الذي يحركها الطاقة الشمسية لثاني أكسيد الكربون2 وتوليد الهيدروجين14،15. أظهرت المواد القائمة على النحاس نشاطا ممتازا (>70٪ كفاءة فارادي تجاه منتج C2 )نحو تقليل ثاني أكسيد الكربون2 16،17،18،19. تؤدي الأنظمة ثنائية المعدن المكونة من النحاس إلى زيادة كفاءة فاراديك (FE) ومعدل تحويل ثاني أكسيد الكربون الإجمالي. تتمثل التحديات الرئيسية في الإمكانات الزائدة العالية ، وانخفاض كفاءات الفاراديك ، وانتقائية منتج واحد20. يتطلب دمج الأنظمة الكهروضوئية (PV) مع التفاعلات الكهروكيميائية تداخلا بين نشاط المحفز الكهربائي ونقطة الطاقة القصوى للخلية الشمسية لتحقيق معدلات إنتاج الوقود المستدامة21،22. تم الإبلاغ عن أنظمة المعدن Ni و Co على نطاق واسع كأنودات عالية الوظيفة للتحليل الكهربائي للمياه القلوية بسبب إمكاناتها الزائدة <600 مللي فولت عند التيارات >100 مللي أمبير / سم2 23،24. يحد التدهور السريع للمحفز في التيارات ذات الصلة صناعيا من قابليتها للحياة كأنودات تجارية. إن قصر الدائرة الناجم عن المنحل بالكهرباء عن طريق تآكل الواجهة بين الطبقة المعدنية والركيزة يجعل التحليل الكهربائي للماء بطيئا25،26.

ظهرت MXenes ، وهي عائلة متنامية من الكربيدات المعدنية الانتقالية ثنائية الأبعاد (2D) ، والنيتريد ، والكربونيتريدات ، كمواد واعدة لتفاعل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي2R نظرا لخصائصها الهيكلية والإلكترونيةالفريدة 27،28. تم اكتشاف MXenes لأول مرة في عام 2011 ، وهي مشتقة في الغالب من الطبقات السائبة Mn + 1AXn (حيث n = 1-4) والتي تتكون من n + 1 طبقات من واحد أو أكثر من المعادن الانتقالية (M ، عادة من المجموعات 4-6) ، متشابكة مع طبقات X ، الكربون (C) ، النيتروجين (N) أو كليهما (CN) ، وعنصر المجموعة A (عادة من المجموعات 13-16). يمكن ضبط تركيباتها باستخدام معادن انتقالية مختلفة من المجموعات من 4 إلى 6 ، X sublattice (C / N) ، و Tx يمثل نهايات السطح (على سبيل المثال ، -O ، -OH ، -F ، -Cl) 27،29،30. في ثاني أكسيد الكربون2R ، يتم التحقيق بنشاط في MXenes كمحفزات أو دعامات مشتركة بسبب كيمياء السطح القابلة للضبط ، والمواقع النشطة تحفيزيا ، ومساحة السطح المحددة العالية ، والتوصيل الكهربائي الشبيه بالمعادن.

تتنبأ الدراسات النظرية الحديثة بأن تزيين MXenes بذرات ثنائية المعدن أو مفردة يمكن أن يعزز بشكل كبير أداء ثاني أكسيد الكربون2R عن طريق تعديل هيكلها الإلكتروني. تعمل استراتيجيات التصميم هذه على تحويل مركز النطاق d ، وتعديل طاقات الامتزاز الوسيطة ، وخفض حواجز الطاقة الحرة من جيبس لخطوات تحديد المعدل31،32،33. على سبيل المثال ، ثبت أن Mo2ZC2 MXenes (Z = Ti ، V ، إلخ) يعزز امتصاص -HOCH2O ويضعف ارتباط -OCH2O في ثاني أكسيد الكربونالكهروكيميائي 2RR ، وبالتالي تقليل الإمكانات المحددة لإنتاج CH4 بسبب التحول في مركز النطاق d لذرات Mo. في دراسة أخرى ، حقق Ti3C2Tx MXene المخدر بالنحاس كفاءة فاراديك بنسبة 58.1٪ نحو إنتاج HCOO من خلال إدخال مواقع مستقطبة تسهل الامتزاز الوسيط ونقل الإلكترون. توجه هذه الدراسات النظرية القليلة إمكانية استكشاف المحفزات ثنائية المعدن القائمة على MXene في تصميم مسارات ثاني أكسيد الكربون2RR.

هنا ، قمنا بتجميع CuZn@Ti3 C2Tx MXene كاثودات و NiCo@Ti3C2Tx MXene من الأنودات ل CO2R والتحليل الكهربائي للماء عن طريق الترسيب الكهربائي البسيط في وعاء واحد. يمكن استخدام الإجراء الأمثل لإيداع مجموعة من الأنظمة ثنائية المعدن أو متعددة المعادن في نطاقات تركيز تتراوح من 5 إلى 100 ملي مولار لكل منها مع التحكم في الأس الهيدروجيني. تتطلب كل مجموعة من الأنظمة المرغوبة ضبط الأس الهيدروجيني وكثافة التيار وفقا لإمكاناتها الكهروكيميائية ، وإمكانات الترسيب ، وظروف التفاعل ، وما إلى ذلك. على الرغم من أنه يمكن إجراء الترسيب على إعداد ثنائي القطب ، إلا أنه ينصح بالتحكم بشكل أفضل في جهد الترسيب من خلال الأقطاب الكهربائية المرجعية. يمكن لهذه الطريقة أن تودع هياكل كبيرة بالإضافة إلى الجسيمات الدقيقة من خلال التحكم في معلمات التفاعل مثل كثافة التيار ونسبة وقت التشغيل والإيقاف ودرجة الحموضة. يظهر هيكل الحبوب المكرر والمحسن الذي تم ضبطه بواسطة نبضات التيار العكسي كفاءة فاراديك عالية (56٪ للهيدروكربونات) لثاني أكسيد الكربون2R مع انخفاض شديد في تدهور المحفز. يتم عرض التحليل الكهربائي للماء على NiCo@Ti3C2Tx MXene في خلية H للظروف المعملية مع 98٪ FE وفي خلية خالية من الفجوة للظروف الصناعية. كما يتم عرض توضيحي لتحديد المنتج المضمن عن طريق كروماتوغرافيا الغاز. تمت مراقبة التكامل العام للنظام وتشغيله عن كثب باستخدام بروتوكولات التصميم الآمنة التي تم إنشاؤها في مختبرنا34.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

يتم سرد الكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.

1. توليف Ti3C2Tx MXene

  1. اغسل 1 جم من مرحلة Ti3AlC2 MAX المحسنة باستخدام حمض الهيدروكلوريك 9 M (HCl) لمدة 18 ساعة لإزالة الشوائب بين المعادن.
  2. قم بإعداد محلول النقش عن طريق خلط 12 M HCl والماء منزوع الأيونات (DI) و 50٪ بالوزن من حمض الهيدروفلوريك (HF) بنسبة حجم 6: 3: 1.
    ملاحظة: حمض الهيدروفلوريك (HF) شديد السمية والتآكل. قم بتنفيذ جميع الخطوات التي تنطوي على HF في غطاء دخان معتمد أثناء ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) ، بما في ذلك القفازات ومعطف المختبر وواقي الوجه.
  3. أضف مسحوق MAX المغسول بحمض الهيدروكلوريك إلى محلول النقش وحركه عند 400 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة عند 35 درجة مئوية.
  4. اغسل Ti3C2T x MXene المحفور بماء DI عن طريق الطرد المركزي المتكرر عند 3234 × جم لمدة 4-5 دورات (~ 200 مل لكل منها) ، كل دورة مدتها 10 دقائق ، حتى يصل المادة الطافية إلى درجة حموضة محايدة تبلغ حوالي 6.
  5. قم بتفكيك MXene عن طريق إضافة الرواسب المغسولة إلى محلول كلوريد الليثيوم (LiCl) (50 مل لكل جرام من المسحوق المحفور) وحركها عند 400 دورة في الدقيقة لمدة ساعة واحدة عند 65 درجة مئوية تحت تدفق غاز الأرجون.
  6. اغسل الخليط بالطرد المركزي عند 3234 × جم لمدة 5 دقائق و 10 دقائق و 15 دقيقة و 20 دقيقة بالتتابع في درجة حرارة الغرفة.
  7. امزج Vortex التعليق النهائي لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة ، ثم جهاز طرد مركزي عند 2380 × جم لمدة 30 دقيقة للحصول على رقائق Ti3C2Tx MXene أحادية إلى قليلة.

2. تحضير السلائف

  1. قم بتفريق 300 مجم من Ti3C2Tx MXene في 100 مل من ماء DI. صوتنات لمدة 5 دقائق لضمان تشتت مستقر.
  2. قم بإعداد محلول سترات النحاس 30 ملي مولار ومحلول أكسالات الزنك 10 ملي في ماء DI. تأكد من صنع جميع المحاليل في غطاء محرك السيارة باستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة ، وتجنب الانسكاب أو ملامسة الجلد مباشرة.
  3. تحضير محاليل 50 ملي مولار من نترات النيكل ونترات الكوبالت في ماء DI.
  4. تحضير تشتت 5 ملغ من Pt / C في 50 مل من ماء DI وصوتن لمدة 10 دقائق في درجة حرارة الغرفة.

3. تصنيع الأقطاب الكهربائية

  1. نظف رغوة النيكل باستخدام الأسيتون ثم صونيكات في ماء DI لمدة 5 دقائق.
  2. قم بتنشيط ورق ألياف الكربون (CFP) عن طريق نقعه في حمض النيتريك 1 M (HNO3) لمدة 20 دقيقة. قم بتنشيط CFP في غطاء محرك السيارة واستخدم القفازات ومعدات الوقاية الشخصية المناسبة.
  3. اغمر رغوة النيكل النظيفة (5 سم × 5 سم) في محلول MXene لمدة 5 دقائق. يجف في درجة حرارة الغرفة تحت الفراغ. قم بتسمية هذه العينة على أنها MXene-Ni-Foam.
  4. رش محلول MXene على CFP المنشط. قم بتسمية العينة على أنها MXene-CFP. قم بتحميل 50 مل من محلول Mxene في مسدس رش. على مسافة 5 سم ، رش الحبر على CFP المنشط ، الذي يغطي كامل سطح CFP 2 سم × 2 سم.
  5. في خلية كهروكيميائية زجاجية ، أضف محاليل السلائف Cu و Zn. استخدم قطبا مرجعيا Ag / AgCl ، وقطب كهربائي مضاد للبلاتين ، و MXene-CFP كقطب كهربائي يعمل ، وقم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بوصلة كل منها على الجهد.
    ملاحظة: على سبيل المثال ، سيتم توصيل قطب MXene-CFP بوصلة القطب الكهربائي العامل ، وبالمثل. يتكون حمام المنحل بالكهرباء من 50 مل من محلول سترات النحاس 30 ملي مولار و 10 ملي مولار من أكسالات الزنك في ماء DI.
  6. قم بتطبيق تسلسل ترسيب التيار النبضي التالي: -10 مللي أمبير / سم2 لمدة 1 ثانية ، 0 مللي أمبير / سم2 (نبضة فارغة) لمدة 0.5 ثانية ، +10 مللي أمبير / سم² لمدة 0.5 ثانية.
  7. كرر لمدة 1000 دورة لإيداع CuZn. قم بتسمية القطب الكهربائي الناتج على أنه CuZn@Ti3C2T x-MXene-CFP.
  8. في خلية أخرى ، أضف محاليل السلائف Ni و Co. استخدم نفس تكوين القطب الكهربائي ولكن استبدل قطب العمل ب MXene-Ni-Foam. تأكد من توصيل الأقطاب الكهربائية في الخلية الكهروكيميائية بشكل صحيح بالتوصيلات المعنية الموجودة على الجهد. يتكون الحمام الكهربائي من 50 مل من نترات النيكل 50 ملي مولار ونترات النيكل في ماء DI.
  9. قم بتطبيق نفس دورة الترسيب النبضي (كما في الخطوة 3.6) لمدة 1000 مجموعة للحصول علىNiCo@Ti 3C2T x-MXene-Ni-Foam.
  10. املأ 50 مل من Pt / C في مسدس الرش. من مسافة 5 سم ، قم برش Pt / C على شبكة Ni وجففها في فرن مفرغ من الهواء عند 60 درجة مئوية لتحضير الكاثود المرجعي للتحليل الكهربائي للماء.

4. التوصيف الهيكلي

  1. قطع كل قطب كهربائي إلى قطع 0.5 سم × 1 سم.
  2. إجراء حيود الأشعة السينية (XRD) والفحص المجهري الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل الطور والمورفولوجيا.
    ملاحظة: يجب أن يكون حجم قطع القطب الكهربائي مشابها لما يناسب إرشادات إعداد عينة أداة XRD و SEM.

5. تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي2

  1. قم بتجميع خلية H بغشاء تبادل قلوي يفصل بين الغرفتين.
  2. استخدم رغوة النيكل كأنود و CuZn@Ti3C2T x-MXene-CFP (2 سم × 2 سم) ككاثود. استخدم 1 M KOH كإلكتروليت في كلتا الغرفتين. تحقق جيدا من وجود أي تسرب للإلكتروليت عند تقاطع الغشاء. شد الوصلة لأي تسريبات.
    ملاحظة: KOH شديد التآكل. ارتد معدات الوقاية الشخصية المناسبة ، ضع جميع المحاليل في غطاء الدخان ، وتجنب ملامسة الجلد. احتفظ بجميع الحلول على الأسطح المستوية بعيدا عن التسلل الشخصي والمقابس الكهربائية.
  3. أدخل قطبا مرجعيا للزئبق/الزئبق في حجرة الكاثود. أغلق النظام ليكون محكم الغلق للغاز. أضف أنبوبا لمدخل ثاني أكسيد الكربون2 وآخر لمخرج الغاز في الغرفة الكاثودية.
  4. قم بتطهير ثاني أكسيد الكربون2 في الغرفة الكاثودية عند 30 مل / دقيقة لمدة 15 دقيقة لتشبع المنحل بالكهرباء.
  5. قم بإضاءة الخلية الكهروضوئية (PV) بكثافة 1-suns وتوصيلها بالخلية (موجبة للأنود ، سالبة إلى الكاثود).
  6. سجل قياس الفولتمتر الدوري (CV) من 0 فولت إلى -2.5 فولت عند 50 مللي فولت / ثانية و EIS (100 كيلو هرتز إلى 0.1 هرتز) عند إمكانات الدائرة المفتوحة.
  7. قم بإجراء قياس جهد كرونو 0 أمبير لمدة ساعتين ، وتسجيل التيار بشكل دوري باستخدام مقياس متعدد. يمكن استخدام التيار المسجل لحساب كفاءة faradaic للمنتجات.
  8. قم بتوصيل مخرج الغرفة الكاثودية بكروماتوجراف الغاز (GC) لأخذ العينات في الخط كل 10 دقائق. برمجة GC للكشف عن الغازات الدائمة وقياسها. استخدم عمودا معبأا ، مثل المنخل الجزيئي ، لتحديد الغازات.
    ملاحظة: يتم ضبط درجة حرارة الفرن على درجة حرارة أولية تبلغ 150 درجة مئوية مع وقت انتظار دقيقتين ويتم ارتفاعها إلى 200 درجة مئوية مع وقت تعليق 1 دقيقة للسماح بالفصل الصحيح وشطف الغازات من الخليط.

6. التحليل الكهربائي للماء الكهروكيميائي (OER)

  1. كرر إعداد الخلية H مع NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam كأنود وشبكة Pt / C@Ni ككاثود. أدخل قطبا كهربائيا من الزئبق/الزئبق كقطب مرجعي في الغرفة الأنودية مع القطب الكهربائي العامل.
  2. املأ كلتا الغرفتين بإلكتروليت 1 M KOH.
  3. سجل السيرة الذاتية من 0 فولت إلى 1.2 فولت عند 50 مللي فولت / ثانية و EIS (10 كيلو هرتز إلى 0.1 هرتز ، سعة 10 مللي فولت) عند جهد الدائرة المفتوحة. في جهد التحليل التلقائي، أستخدم وظيفة تحديد OCP (إمكانات الدائرة المفتوحة) لتسجيل OCP.
  4. قم بإضاءة الخلية الكهروضوئية بضوء 1 شمس باستخدام جهاز محاكاة شمسي يوضع على بعد 6 سم ، أو لمعان شمس واحدة على الخلية.
  5. قم بتوصيل المحطات الكهروضوئية بالأقطاب الكهربائية وسجل منحنى قياس جهد كرونو 0 أمبير. مراقبة وتسجيل التيار لحسابات الكفاءة.
  6. قم بتوصيل مخرج الكاثود ب GC وتحليل إنتاج الهيدروجين كل 10 دقائق باستخدام كاشف التوصيل الحراري (TCD) مع النيتروجين كغاز ناقل.

7. تجميع المحلل الكهربائي بدون فجوة

  1. يغسل بالماء ويعد خلية خالية من الفجوة. قم بإعداد أنابيب البولي فينيل بروبيلين النظيفة وغيرها من الملحقات ، مثل قيم الدفع والسحب التي تناسب الأنبوب لإنشاء تقاطعات بين أجزاء مختلفة من مجموعة التحليل الكهربائي للمياه القلوية.
  2. قم بتكديس ما يلي بالتسلسل: لوحة أنود الخلية ، NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam ، حشية (نفس سمك أو أكثر سمكا قليلا (0.1 مم) من سمك الأنود) ، غشاء التبادل القلوي ، الحشية ، كاثود Pt / C ، وأخيرا لوحة خلية الكاثود. استخدم قضبان تحديد المواقع للمحاذاة إذا كانت متوفرة ، أو تأكد من إبقاء الطبقات ثابتة وثابتة على طاولة.
  3. قم بتجميع المحلل الكهربائي مع المحاذاة المناسبة لجميع الطبقات والألواح الطرفية. قم بتثبيته بإحكام باستخدام البراغي.
  4. قم بتوصيل الخلية بالمضخات التمعجية التي تدور 30٪ KOH عند 30 مل / دقيقة. يمكن ضبط معدل تدفق الإلكتروليتات ، واعتمادا على تطور الغاز ودرجة الحرارة ، يمكن زيادة الإلكتروليتات لإزالة الغاز ونشاطه بشكل أفضل.
  5. حافظ على خزان المنحل بالكهرباء عند 60 درجة مئوية باستخدام حمام زيت وراقب باستخدام مسبار درجة الحرارة. تأكد من عدم لمس الخلية أو الخزان بدون قفازات حرارية.
    ملاحظة: 30٪ KOH مادة كاوية للغاية ويمكن أن تسبب حروقا. قم بإجراء جميع التجارب باستخدام معدات الحماية الشخصية المناسبة. قم بتخزين الإلكتروليتات الإضافية في غطاء الدخان واحتفظ بخزان الإلكتروليت على سطح مستو مدعوم جيدا ومتوازن لتجنب الانسكابات.

8. حساب كفاءة فاراديك

  1. استخدم المعادلة التالية:
    figure-protocol-1
    حيث Qprod هي الشحنة المستخدمة لتكوين المنتج (على سبيل المثال ، الهيدروجين أو منتج ثاني أكسيد الكربون2R) ، و Qالإجمالي هو إجمالي الشحنة المنبثقة.
    ملاحظة: التخلص من جميع النفايات المحتوية على HF- و HCl باتباع بروتوكولات النفايات الخطرة المؤسسية. استشر صحائف بيانات سلامة المواد (MSDS) وموظفي الصحة والسلامة البيئية (EHS) للحصول على إرشادات التخلص.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

تستخدم تقنية حيود الأشعة السينية لتحليل التركيب البلوري الصلب للأغشية المعدنية. قطع عينات الفيلم بحجم مناسب (يناسب كعب العينة لجهاز XRD). قم بتحميل العينات في الجهاز وامسح نطاق 2Θ من 10 درجة إلى 80 درجة. يوضح الرسم البياني XRD الذي تم الحصول عليه إشارات الذروة للمستويات البلورية الموجودة في المادة. استخدم النمط المرجعي للمركز الدولي لبيانات الحيود (ICDD) لتحديد التركيب البلوري وتحليله بشكل أكبر ، مثل القمم الرئيسية ، والتباعد بين D ، وتحولات الذروة بسبب ت...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تقدم هذه الدراسة بروتوكول تخليق الأقطاب الكهربائية ثنائية المعدن لتفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحركها الطاقة الشمسية لتوليد الوقود. يعتمد إزالة الكربون من قطاع الطاقة بشكل كبيرعلى تحويل ثاني أكسيد الكربون 2 035،36،37 واستخدام الوقود عديم الانبعاثات مثل الهيدروجين المتولد من الماء38،39. يحتاج التحول الكهروكيميائي الذي يحركه ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

يرغب المؤلفون في الاعتراف بدعم معهد هنري رويس للمواد المتقدمة من خلال برنامج التعاون الصناعي (RICP-R4-100061) و MATcelerateZero (MATZ0) ، الممولة من منحة مقدمة من مجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية EP / X527257 / 1. يقر المؤلفون بوزارة أمن الطاقة و Net Zero (معرف المشروع: NEXTCCUS) ، والبحوث والابتكار والمشاركة العالمية في كلية لندن الجامعية ، وجوائز التعاون في شراكة جامعة سيدني - كلية لندن الجامعية ، وصناديق الشركاء الاستراتيجيين لجامعة UCL-Beijing ، وجوائز التعاون الاستراتيجي العالمي من جامعة كاليفورنيا في كلية لندن ، وصندوق البذور المشترك IISc-UCL لدعمهم المالي. يقر المؤلفون ببرنامج ACT (تسريع تقنيات CCS ، مشروع Horizon 2020 رقم 691712) للدعم المالي لمشروع NEXTCCUS (معرف المشروع: 327327). تم دعم هذا العمل من قبل معهد هنري رويس للمواد المتقدمة من خلال مخطط الوصول إلى المعدات ، مما مكن من الوصول إلى جناح Royce SEM-FIB في كامبريدج. تمنح مرافق كامبريدج رويس EP / P024947/1 ومعهد السير هنري رويس - منحة متكررة EP / R00661X/1.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
أوتلاب 302مترو روم المملكة المتحدةPGSTAT302Nيقيم النشاط الكهروكيميائي للنظام (CO2R وWE)
سداسي هيدرات نترات الكوبالتسيغما ألدريتش  98 10026-22-9مقدمة لأنود تحليل الماء
نترات النحاس ثلاثي الهيدراتسيغما ألدريتش10031-43-3.مقدمة لكاثود ثاني أكسيد الكربون
مصدر الضوءتقنية SOIONمصباح الزينونمصدر الضوء لإضاءة الخلية الشمسية
نيكل نترات سداسي الهيدراتسيغما ألدريتش13478-00-7مقدمة لأنود تحليل الماء
الكروماتوغرافيا الغازية عبر الإنترنتأجيلينت8890متصلة بالخلية الكهروكيميائية وتدور عينة ، ~10 ميكرولتر غاز كل 10 دقائق أو الوقت الموصوف في الأمر للتحديد والتكميم.
مضخات التوازي  تقنية SOIONBT100-3Jلتدفق الإلكتروليت في خلية خالية من الفجوة.
هيدروكسيد البوتاسيومسيغما ألدريتش1310-58-3الإلكتروليت لتحليل ثاني أكسيد الكربون والماء.
الخلية الشمسية (الخلايا الكهروضوئية)مخزن خلايا الوقودخلية سيليكون متتالية يمكنها تزويد ما يصل إلى 4 فولت من الجهد وتيارات ~300 مللي أمبير
غشاء الاستدامةمواد ثاني أكسيد الأكسيدX37-50 Grade RTغشاء تبادل الأنيون المستخدم لنقل الأيونات من الكاثود إلى الأنود وإيقاف تقاطعات الغاز والنواتج.
Ti3C2Tx MXeneمختبر أناسوري، جامعة بيردو
فيونيكمترو روم المملكة المتحدة3500001080يقيم النشاط الكهروكيميائي للنظام (ثاني أكسيد الكربون وWE) عند التيارات الأعلى. لديها تيار أعلى ونوافذ محتملة.
سترات الزنكسيغما ألدريتش480762مقدمة لكاثود ثاني أكسيد الكربون

المراجع

  1. Brauns, J., Turek, T. Alkaline water electrolysis powered by renewable energy: A review. Processes. 8 (2), 248(2020).
  2. Dinh, C. T., Li, Y. C., Sargent, E. H. Boosting the single-pass conversion for renewable chemical electrosynthesis. Joule. 3 (1), 13-15 (2019).
  3. Züttel, A., et al. Storage of renewable energy by reduction of CO2 hydrogen. Chimia (Aarau). 69 (5), 264-268 (2015).
  4. Liu, S., et al. To convert or not to convert: a comparative techno-economic analysis on CO2-to-methanol and CO2-EOR. Appl Energy. 388, 125698(2025).
  5. Lemmon, J. P. Energy: Reimagine fuel cells. Nature. 525 (7570), 447-449 (2015).
  6. Klemeš, J. J., et al. Sustainable energy integration within the circular economy. Renew Sustain Energy Rev. 177, 113143(2023).
  7. Hydrogen Storage. , US Department of Energy. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage (2025).
  8. Mao, S. S., Shen, S. Hydrogen production: Catalysing artificial photosynthesis. Nat Photonics. 7 (12), 944-946 (2013).
  9. Lin, H., Luo, S., Zhang, H., Ye, J. Toward solar-driven carbon recycling. Joule. 6 (2), 294-314 (2022).
  10. Sacco, A., et al. An integrated device for the solar-driven electrochemical conversion of CO2 to CO. ACS Sustain Chem Eng. 8 (20), 7563-7568 (2020).
  11. Rahaman, M., et al. Solar-driven liquid multi-carbon fuel production using a standalone perovskite-BiVO4 leaf. Nat Energy. 8 (6), 629-638 (2023).
  12. Chen, X., et al. Promoting water dissociation for efficient solar driven CO2 via improving hydroxyl adsorption. Nat Commun. 14 (1), 1-12 (2023).
  13. Rashid, N., Yang, S., Abdi Jalebi, M. Socio-economic impact and regulatory measurements for next-generation electrochemical CO2 system. Nanoscale Adv. 2 (1), 1-9 (2025).
  14. Lamb, W. F., Rao, N. D. Human development in a climate-constrained world: what the past says about the future. Global Environ Change. 33, 14-22 (2015).
  15. Staffell, I., et al. The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy Environ Sci. 12 (2), 463-491 (2019).
  16. Rashid, N., Bhat, M. A., Ingole, P. P. Unravelling the chemistry of catalyst surfaces and solvents towards C-C bond formation through activation and electrochemical conversion of CO2 hydrocarbons over micro-structured dendritic copper. Sustain Energy Fuels. 6 (1), 128-142 (2021).
  17. Rashid, N., Dar, F., Bhat, M., Ingole, P. Tailoring motif and channel terminating groups of conventional copper MOFs for their enhanced activity, selectivity, and stability toward the electroreduction of CO2 to hydrocarbons. ACS Appl Energy Mater. 6 (2), 1378-1388 (2023).
  18. Yang, F., et al. Highly efficient electroconversion of carbon dioxide into hydrocarbons by cathodized copper-organic frameworks. Chem Sci. 10 (35), 7975-7981 (2019).
  19. Weng, Z., et al. Active sites of copper-complex catalytic materials for electrochemical carbon dioxide reduction. Nat Commun. 9 (1), 1-9 (2018).
  20. Abdi-Jalebi, M. The Future of Halide Perovskite Solar Cells. Nanoscale and Advanced Materials. 2, 87-94 (2024).
  21. Karaiskakis, A. N., Golru, S. S., Biddinger, E. J. Effect of electrode geometry on selectivity and activity in CO2 electroreduction. Ind Eng Chem Res. 58 (47), 22506-22515 (2019).
  22. Astakhov, O., Cibaka, T., Wieprecht, L., Rau, U., Merdzhanova, T. Unfolding electrolyzer characteristics to reveal solar-to-chemical efficiency potential: Rapid analysis method bridging electrochemistry and photovoltaics. ChemSusChem. 18 (11), e202402027(2024).
  23. Angeles-Olvera, Z., et al. Nickel-based electrocatalysts for water electrolysis. Energies. 15 (5), 1609(2022).
  24. Irshad, A., Munichandraiah, N. Electrodeposited nickel-cobalt-sulfide catalyst for the hydrogen evolution reaction. ACS Appl Mater Interfaces. 9 (23), 19746-19755 (2017).
  25. Pašti, I. A., et al. Atomically thin metal films on foreign substrates: From lattice mismatch to electrocatalytic activity. ACS Catal. 9 (4), 3467-3481 (2019).
  26. Heikkinen, M., Ghiyasi, R., Karppinen, M. Layer-engineered functional multilayer thin-film structures and interfaces through atomic and molecular layer deposition. Adv Mater Interfaces. 12 (10), 2400262(2025).
  27. Lim, C., Handoko, A. D., Seh, Z. W. A realistic take on MXenes for electrochemical reduction of carbon dioxide. Diam Relat Mater. 130, 109461(2022).
  28. Meng, L., Tayyebi, E., Exner, K. S., Viñes, F., Illas, F. MXenes as electrocatalysts for the CO2 reaction: recent advances and future challenges. ChemElectroChem. 11 (8), e202300598(2024).
  29. Handoko, A. D., et al. Two-dimensional titanium and molybdenum carbide MXenes as electrocatalysts for CO2 reduction. iScience. 23 (9), 101181(2020).
  30. Li, N., et al. Understanding of electrochemical mechanisms for CO2 and conversion into hydrocarbon fuels in transition-metal carbides (MXenes). ACS Nano. 11 (11), 10825-10833 (2017).
  31. Govindan, B., et al. Synergistic bimetallic sites in 2D-on-2D heterostructures for enhanced C-N coupling in sustainable urea synthesis. ACS Sustain Chem Eng. 12 (12), 8174-8187 (2024).
  32. Wang, R., et al. Element-doped MXenes: Mechanism, synthesis, and applications. Small. 18 (25), 2201740(2022).
  33. Cao, S., et al. MXene-based single atom catalysts for efficient CO2RR towards CO: A novel strategy for high-throughput catalyst design and screening. Chem Eng J. 461, 141936(2023).
  34. Kumar Sharma, P., Rashid, N., Abdi Jalebi, M. Safe-by-design approach for next-generation electrochemical CO2 prototype with risk assessment and safety considerations. Nanoscale Adv. 2 (1), 74-83 (2025).
  35. Fang, B., et al. Large-scale synthesis of TiO2 with hierarchical nanostructure for highly efficient photodriven reduction of CO2 to CH4. ACS Appl Mater Interfaces. 6 (17), 15488-15498 (2014).
  36. Somoza-Tornos, A., Guerra, O. J., Crow, A. M., Smith, W. A., Hodge, B. M. Process modeling, techno-economic assessment, and life cycle assessment of the electrochemical reduction of CO2: A review. iScience. 24 (7), 102813(2021).
  37. Wyndorps, J., Ostovari, H., von der Assen, N. Is electrochemical CO2 the future technology for power-to-chemicals? An environmental comparison with H2-based pathways. Sustain Energy Fuels. 5 (22), 5748-5761 (2021).
  38. Zlatar, M., et al. Standardizing OER electrocatalyst benchmarking in aqueous electrolytes: comprehensive guidelines for accelerated stress tests and backing electrodes. ACS Catal. 13 (23), 15375-15392 (2023).
  39. Marini, S., et al. Advanced alkaline water electrolysis. Electrochim Acta. 82, 384-391 (2012).
  40. Miao, M., Duan, H., Luo, J., Wang, X. Recent progress and prospect of electrodeposition-type catalysts in carbon dioxide reduction utilization. Mater Adv. 3 (18), 6968-6987 (2022).
  41. Zangari, G. Fundamentals of electrodeposition. Encyclopedia of Interfacial Chemistry: Surface Science and Electrochemistry. , 141-160 (2018).
  42. Guruprasad, N., van der Schaaf, J., de Groot, M. T. Unraveling the impact of reverse currents on electrode stability in anion exchange membrane water electrolysis. J Power Sources. 613, 234877(2024).
  43. Rashid, N., Ingole, P., Delhi, N. Electrochemical reduction of CO2 ionic liquid stabilized reverse pulse electrodeposited copper oxides. Bose, M., Modi, A. Proceedings of the 7th International Conference on Advances in Energy Research, , Springer Proceedings in Energy. 1551-1558 (2020).
  44. Rashid, N., Ingole, P. P. Pulse electrodeposition of copper octahedrons: Investigations into the CO2RR on these surfaces. Meet. Abstr. MA202802, 816(2018).
  45. Voncken, J. H. L., Verkroost, T. W. Powder diffraction of cubic α-brass. Powder Diffr. 12 (4), 228-229 (1997).
  46. Salehi, M., Saidi, A., Ahmadian, M., Raeissi, K. Characterization of nanocrystalline nickel-cobalt alloys synthesized by direct and pulse electrodeposition. Int J Mod Phys. 28 (6), 1450043(2014).
  47. Walsh, F. C., Herron, M. E. Electrocrystallization and electrochemical control of crystal growth: fundamental considerations and electrodeposition of metals. J Phys D Appl Phys. 24 (2), 217(1991).
  48. Shi, Y., et al. Atomic-level metal electrodeposition: synthetic strategies, applications, and catalytic mechanism in electrochemical energy conversion. Small Struct. 3 (3), 2100185(2022).
  49. Kaneco, S., et al. Electrochemical reduction of carbon dioxide to ethylene with high Faradaic efficiency at a Cu electrode in CsOH/methanol. Electrochim Acta. 44 (26), 4701-4706 (1999).
  50. Lv, W., Zhang, R., Gao, P., Lei, L. Studies on the Faradaic efficiency for electrochemical reduction of carbon dioxide to formate on tin electrode. J Power Sources. 253, 276-281 (2014).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

إنتاج الوقود الشمسيالاختزال الكهركيميائي لثاني أكسيد الكربونتحليل الماء كهربائياًحفازات مدعومة بمواد MXeneكاثود من النحاس والزنكأنود من النيكل والكوبالتالترسيب الكهربائي النبضيالتحليل الكهربائي القلويكروماتوغرافيا الغازالفولتاميتري الحلقي
إنتاج الوقود الكهروكيميائي الأخضر الذي يعمل بالطاقة الشمسية من ثاني أكسيد الكربون2 والمياه باستخدام محفزات CuZn و NiCo المدعومة من Ti3C2Tx MXene
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.