הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ייצור דלק ירוק אלקטרוכימי מונע שמש מ-CO2 ומים באמצעות זרזי CuZn ו-NiCo נתמכיTi 3C2T x MXene

2.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/68870

⸱

7 בנובמבר 2025

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

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול זה מנחה את הייצור והניתוח האלקטרוכימי של אלקטרו-קטליזטורים דו-מתכתיים CuZn ו-NiCo הנתמכים על ידי MXene לייצור דלק ירוק מפחמן דו חמצני ומים באמצעות אנרגיה סולארית.

תקציר

פרוטוקול זה מתאר את הסינתזה ומיפוי הפעילות של קתודות דו-מתכתיות הנתמכות על ידי MXene להפחתת פחמן דו חמצני (CO2R) ואנודות לפיצול מים תוך שימוש באנרגיה סולארית במדיה אלקליין. נעשה שימוש בטכניקת אלקטרודפוזיציה של דופק זרם הפוך כדי לשלוט בננו-מבנה, עידון התבואה והרכב הסגסוגת של האלקטרודות המיוצרות. גם האנודות וגם הקתודה נטולות מתכות אצילות ונתמכות על טיטניום קרביד דו-ממדי (2D) MXene,מה שמפחית את התנגדות המגע ומקל על העברת המטען מהמצע למגיבים באמצעות זרזים. אבץ נחושת (CuZn) הנתמך על Ti3C2Tx MXene משמשים כקתודה לייצור מתנול בהמרת CO2 תרמו-קטליטית, וכאן הדגמנו לראשונה את ביצועיהם בהפחתת CO2 אלקטרוכימית (CO2R). ניקל קובלט (NiCo) הנתמך על Ti3C2Tx MXene מיוצרים באופן דומה באמצעות אלקטרודפוזיציה של דופק ונבדקים כאנודות לאלקטרוליזה של מים המונעים על ידי תא סולארי בתנאי מעבדה פשוטים. הפעילות מתארת גם את האפיון המבני של סרטים דקים מתכתיים. הגדרה מפורטת לשילוב התא הסולארי טנדם סיליקון פרובסקיט המתקדם עם תא אלקטרוכימי, אשר בתורו מזין כרומטוגרפיית גז בשורה, מודגמת הן עבור CO2R והן עבור אלקטרוליזה של מים (WE). מערך המפרט את אלקטרוליזה המים בתנאים מסחריים של תמיסות אלקליין קאוסטיות מאוד (30% KOH), טמפרטורות גבוהות (60 מעלות צלזיוס), ובתא אפס פער מודגם על האנודה המפוברקת בשילוב עם קתודה מצופה ריסוס Pt/C.

מבוא

החלפת דלקים מאובנים בחלופות אפס פליטות היא קריטית להפחתת הפחמן של משק האנרגיה ולהגברת השימוש באנרגיה מתחדשת 1,2,3. המרה של פחמן דו חמצני (CO2) לפחמן חד חמצני (CO), מתאן (CH4) ודלקים פחמניים אחרים הופכת לנתיב חשוב למניעת פליטותCO2 נוספות ויצירת כלכלת פחמן מעגלית4. באופן דומה, החלפת דלקים מאובנים במימן בצפיפות אנרגיה גבוהה צפויה להאיץ את מעבר האנרגיה מדלקים מבוססי מאובנים לאפס פליטות 5,6,7,8. ניתן להפוך את מערכת ייצור האנרגיה לחסכונית וידידותית לסביבה על ידי שימוש באור שמש ישיר 9,10,11,12. המעבר לאנרגיה ירוקה יכול לייצר תוצאות סוציו-אקונומיות חיוביות, במיוחד על ידי שיפור ההשפעות החברתיות ובכך להגדיל את ההון החברתי הקשור לייצור דלק אפס פליטות13.

גוף מחקר נרחב הוקדש להפחתה אלקטרוכימית מונעת שמש שלCO2 וייצור מימן14,15. חומרים מבוססי נחושת הראו פעילות מצוינת (יעילות פאראדית של >70% כלפי מוצר C2) לקראת הפחתתCO2 16,17,18,19. מערכות דו-מתכתיות המורכבות מנחושת מובילות לעלייה ביעילות הפראדית (FE) ובקצב ההמרה הכולל של פחמן דו חמצני. האתגרים העיקריים הם פוטנציאל יתר גבוה, יעילות פאראדית נמוכה יותר וסלקטיביות של מוצר בודד20. שילוב מערכות פוטו-וולטאיות (PV) עם תגובות אלקטרוכימיות דורש חפיפה בין הפעילות הפאראדית של האלקטרו-קטליזטור לבין נקודת ההספק המקסימלית של התא הסולארי כדי להשיג שיעורי ייצור דלק ברי קיימא21,22. מערכות דו-מתכתיות Ni ו-Co דווחו בהרחבה כאנודות פונקציונליות גבוהות לאלקטרוליזה של מים אלקליין בשל פוטנציאל היתר שלהן של <600 mV בזרמים >100 mA/cm2 23,24. פירוק מהיר של הזרז בזרמים רלוונטיים מבחינה תעשייתית מגביל את הכדאיות שלהם כאנודות מסחריות. הקצר החשמלי המושרה על ידי אלקטרוליט על ידי קורוזיה של הממשק בין שכבת המתכת למצע הופך עוד יותר את אלקטרוליזה המים לאיטית25,26.

MXenes, משפחה הולכת וגדלה של קרבידים, ניטרידים וקרבוניטרידים דו-ממדיים (2D), התגלו כחומרים מבטיחים לתגובת CO2R אלקטרוכימית בשל תכונותיהם המבניות והאלקטרוניותהייחודיות 27,28. התגלה לראשונה בשנת 2011, MXenes נגזר בעיקר משלבים Mn+1AXn בשכבות בתפזורת (כאשר n = 1-4) המורכבים משכבות n+1 של מתכות מעבר אחת או יותר (M, בדרך כלל מקבוצות 4-6), שזורות בשכבות X, פחמן (C), חנקן (N) או שניהם (CN), ואלמנט מקבוצה A (בדרך כלל מקבוצות 13-16). ניתן לכוונן את ההרכבים שלהם באמצעות מתכות מעבר שונות מקבוצות 4 עד 6, תת-סריג X (C/N), ו-Tx מייצג סיומות פני שטח (למשל, -O, -OH, -F, -Cl)27,29,30. ב-CO2R, MXenes נחקרים באופן פעיל כזרזים או תומכים בשל כימיית פני השטח הניתנת לכוונון שלהם, אתרים פעילים קטליטית, שטח פנים ספציפי גבוה ומוליכות חשמלית דמוית מתכת.

מחקרים תיאורטיים אחרונים חוזים כי קישוט MXenes באטומים דו-מתכתיים או בודדים יכול לשפר באופן משמעותי את ביצועי CO2R על ידי אפנון המבנה האלקטרוני שלהם. אסטרטגיות תכנון אלו מזיזה את מרכז ה-d-band, מווסתות את אנרגיות ספיחת הביניים ומורידות את מחסומי האנרגיה החופשית של גיבס בשלבים הקובעים את הקצב 31,32,33. לדוגמה, הוכח כי Mo2ZC2 MXenes (Z = Ti, V וכו') מחזקים את ספיחת -HOCH2O ומחלישים את קשירת -OCH2O באלקטרוכימיה CO2RR, ובכך מפחיתים את הפוטנציאל המגביל לייצור CH4 עקב עלייה במרכז פס ה-d של אטומי Mo. במחקר אחר, Cu-doped Ti3C2Tx MXene השיג יעילות פאראדית של 58.1% לקראת ייצור HCOO על ידי הכנסת אתרים מקוטבים המאפשרים ספיחת ביניים והעברת אלקטרונים. מחקרים תיאורטיים מעטים אלה מנחים את הפוטנציאל של חקר זרזים דו-מתכתיים מבוססי MXene בהתאמת מסלולי CO2RR.

כאן, סינתזנו CuZn@Tiקתודה 3C2Tx MXene ואנודותNiCo@Ti 3C2Tx MXene עבור CO2R ואלקטרוליזה של מים על ידי אלקטרודפוזיציה פשוטה של סיר אחד. ניתן להשתמש בהליך האופטימלי כדי להפקיד מגוון של מערכות דו-מתכתיות או פולי-מתכתיות בטווחי ריכוז של 5 עד 100 מ"מ כל אחת עם בקרת pH. כל קבוצה של מערכות רצויות תדרוש כוונון של ה-pH וצפיפות הזרם בהתאם לפוטנציאל האלקטרוכימי שלהם, פוטנציאל התצהיר, תנאי התגובה וכו'. למרות שניתן לבצע את התצהיר על מערך של שתי אלקטרודות, מומלץ לשלוט טוב יותר על מתח התצהיר באמצעות אלקטרודות ייחוס. השיטה יכולה להפקיד מבנים גדולים כמו גם חלקיקים עדינים על ידי שליטה בפרמטרי תגובה כמו צפיפות זרם, יחס זמן ON-OFF ו-pH. מבנה התבואה המעודן והאופטימלי המכוון על ידי פולסים של זרם הפוך מראה יעילות פאראדית גבוהה (56% עבור פחמימנים) עבור CO2R עם פירוק זרז נמוך מאוד. אלקטרוליזה של מים מודגמת על NiCo@Ti3C2Tx MXene בתא H לתנאי מעבדה עם 98% FE ובתא אפס פער לתנאים תעשייתיים. מוצגת גם הדגמה של קביעת מוצר מקוון על ידי כרומטוגרפיית גז. האינטגרציה הכוללת של המערכת ותפעולה מנוטרים מקרוב באמצעות פרוטוקולי ה-safe-by-design שנקבעו במעבדה34 שלנו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הריאגנטים והציוד המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. סינתזה של Ti3C2Tx MXene

  1. שטפו 1 גרם של שלב Ti3AlC2 MAX אופטימלי באמצעות חומצה הידרוכלורית 9 M (HCl) למשך 18 שעות כדי להסיר זיהומים בין-מתכתיים.
  2. הכן את תמיסת התחריט על ידי ערבוב של 12 M HCl, מים נטולי יונים (DI) ו-50% חומצה הידרופלואורית (HF) ביחס נפח של 6:3:1.
    הערה: חומצה הידרופלואורית (HF) רעילה מאוד וקורוזיבית. בצע את כל השלבים הכרוכים ב-HF במכסה אדים מוסמך תוך לבישת ציוד מגן אישי מתאים (PPE), כולל כפפות, מעיל מעבדה ומגן פנים.
  3. הוסיפו את אבקת ה-MAX שטופת HCl לתמיסת החריטה וערבבו ב-400 סל"ד למשך 24 שעות ב-35 מעלות צלזיוס.
  4. שטפו את ה-Ti3C2Tx MXene החרוט במי DI על ידי צנטריפוגה חוזרת ב-3234 x g למשך 4-5 מחזורים (~200 מ"ל כל אחד), כל מחזור של 10 דקות, עד שהסופרנטנט מגיע ל-pH ניטרלי של כ-6.
  5. פירקו את ה-MXene על ידי הוספת המשקעים השטופים לתמיסת ליתיום כלוריד (LiCl) (50 מ"ל לגרם אבקה חרוטה) וערבבו ב-400 סל"ד למשך שעה ב-65 מעלות צלזיוס תחת זרימת גז ארגון.
  6. שוטפים את התערובת על ידי צנטריפוגה בחום של 3234 x גרם למשך 5 דקות, 10 דקות, 15 דקות ו -20 דקות ברצף בטמפרטורת החדר.
  7. מערבבת את ההשעיה הסופית למשך 30 דקות בטמפרטורת החדר, ואז צנטריפוגה ב-2380 x גרם למשך 30 דקות לקבלת פתיתי Ti3C2Tx MXene חד-שכבתיים.

2. הכנת מבשרים

  1. מפזרים 300 מ"ג של Ti3C2Tx MXene ב-100 מ"ל של מי DI. סוניקציה למשך 5 דקות כדי להבטיח פיזור יציב.
  2. הכן תמיסת נחושת ציטראט 30 מ"מ ותמיסת אבץ אוקסלט 10 מ"מ במי DI. הקפד להכין את כל התמיסות במכסה המנוע עם PPE מתאים, הימנע משפיכה או מגע ישיר עם העור.
  3. הכן תמיסות של 50 מ"מ של ניקל חנקתי וקובלט חנקתי במי DI.
  4. הכן פיזור של 5 מ"ג Pt/C ב-50 מ"ל של מי DI וסוניקט למשך 10 דקות בטמפרטורת החדר.

3. ייצור אלקטרודות

  1. נקו את קצף הניקל באמצעות אצטון ולאחר מכן סוניקציה במי DI למשך 5 דקות.
  2. הפעל את נייר סיבי הפחמן (CFP) על ידי השרייתו בחומצה חנקתית של 1 M (HNO3) למשך 20 דקות. הפעל את ה-CFP במכסה המנוע והשתמש בכפפות וב-PPE מתאים.
  3. טבלו את קצף הניקל הנקי (5 ס"מ × 5 ס"מ) בתמיסת MXene למשך 5 דקות. יבש בטמפרטורת החדר בוואקום. סמן דוגמה זו כ-MXene-Ni-Foam.
  4. יש לרסס תמיסת MXene על CFP מופעל. סמן את המדגם כ-MXene-CFP. טען 50 מ"ל של תמיסת Mxene באקדח ריסוס. במרחק של 5 ס"מ, רססו את הדיו על ה- CFP המופעל, המכסה את כל פני השטח של ה- CFP בגודל 2 ס"מ על 2 ס"מ.
  5. בתא אלקטרוכימי מזכוכית, הוסף את תמיסות המבשר Cu ו-Zn. השתמש באלקטרודת ייחוס Ag/AgCl, אלקטרודת מונה פלטינה ו-MXene-CFP כאלקטרודה העובדת, וחבר את האלקטרודות לחיבור שלהן בפוטנציוסטט.
    הערה: למשלample, האלקטרודה MXene-CFP תחובר לחיבור האלקטרודה העובדת, וכן אמבט האלקטרוליטים כלל 50 מ"ל של תמיסת ציטראט 30 מ"מ Cu ו-10 מ"מ Zn אוקסלט במי DI.
  6. החל את רצף שקיעת הזרם הפועם הבא: -10 mA/cm2 למשך 1 שניות, 0 mA/cm2 (דופק אפס) למשך 0.5 שניות, +10 mA/cm² למשך 0.5 שניות.
  7. חזור על הפעולה במשך 1000 מחזורים כדי להפקיד CuZn. סמן את האלקטרודה המתקבלתכ-CuZn@Ti 3C2T x-MXene-CFP.
  8. בתא אחר, הוסף פתרונות קודמים של Ni ו-Co. השתמש באותה תצורת אלקטרודה אך החלף את האלקטרודה העובדת ב-MXene-Ni-Foam. ודא שהאלקטרודות בתא האלקטרוכימי מחוברות כהלכה עם החיבורים המתאימים בפוטנציוסטט. האמבטיה האלקטרוליטית מורכבת מ-50 מ"ל של 50 מ"מ Ni חנקתי ו-Co חנקתי במי DI.
  9. החל את אותו מחזור תצהיר פועם (כמו בשלב 3.6) עבור 1000 סטים כדי להשיג NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam.
  10. מלאו 50 מ"ל של Pt/C באקדח הריסוס. ממרחק של 5 ס"מ, יש לרסס את Pt/C על רשת Ni ולייבש בתנור ואקום בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס כדי להכין את קתודה הייחוס לאלקטרוליזה של מים.

4. אפיון מבני

  1. חותכים כל אלקטרודה לחתיכות של 0.5 ס"מ × 1 ס"מ.
  2. לבצע עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) לניתוח פאזה ומורפולוגיה.
    הערה: גודל חלקי האלקטרודה צריך להיות דומה למה שמתאים להנחיות הכנת הדגימה של מכשירי XRD ו-SEM.

5. הפחתתCO2 אלקטרוכימית

  1. הרכיבו תא H עם קרום חילופי אלקליין המפריד בין שני החדרים.
  2. השתמש ב-Ni-Foam כאנודהוב-CuZn@Ti 3C2T x-MXene-CFP (2 ס"מ × 2 ס"מ) כקתודה. השתמש ב-1 M KOH כאלקטרוליט בשני התאים. בדוק היטב אם יש דליפות אלקטרוליטים בצומת הממברנה. הדק את הצומת לאיתור נזילות.
    הערה: KOH הוא מאכל מאוד; ללבוש ציוד הגנה אישי מתאים, לשים את כל התמיסות במכסה אדים ולהימנע ממגע עם העור. הרחק את כל הפתרונות על משטחים שטוחים מחדירה אישית ותקעים חשמליים.
  3. הכנס אלקטרודת ייחוס Hg/HgO לתא הקתודה. אטום את המערכת כך שתהיה אטומה לגז. הוסף צינור לכניסת CO2 ואחד ליציאת הגז בתא הקתודית.
  4. נקה את CO2 לתוך החדר הקתודי בטמפרטורה של 30 מ"ל/דקה למשך 15 דקות כדי להרוות את האלקטרוליט.
  5. האירו את התא הפוטו-וולטאי (PV) בעוצמת שמש אחת וחברו אותו לתא (חיובי לאנודה, שלילי לקתודה).
  6. רשום וולטמטריה מחזורית (CV) מ- V 0 עד V 2.5- ב- mV/s 50 ו- EIS (kHz 100 עד Hz 0.1) בפוטנציאל מעגל פתוח.
  7. בצע מדידה פוטנציומטרית כרונומטרית של 0 A למשך שעתיים, תוך רישום זרם מעת לעת באמצעות מולטימטר. ניתן להשתמש בזרם המוקלט כדי לחשב את היעילות הפראדית של מוצרים.
  8. חבר את שקע החדר הקתודי לכרומטוגרף גז (GC) לדגימה מקוונת כל 10 דקות. תכנת את ה-GC לגילוי וכימות של גזים קבועים. השתמש בעמודה ארוזה, כגון המסננת המולקולרית, כדי לזהות את הגזים.
    הערה: טמפרטורת התנור מוגדרת בטמפרטורה התחלתית של 150 מעלות צלזיוס עם זמן החזקה של 2 דקות ומוגברת עוד יותר ל-200 מעלות צלזיוס עם זמן החזקה של דקה אחת כדי לאפשר הפרדה ופליטה נכונה של הגזים מהתערובת.

6. אלקטרוליזה אלקטרוכימית של מים (OER)

  1. חזור על הגדרת תא H עם קצףNiCo@Ti 3C2T x-MXene-Ni-Foam כאנודה ורשת Pt/C@Ni כקתודה. הכנס אלקטרודת Hg/HgO כאלקטרודת ייחוס בתא האנודי עם האלקטרודה העובדת.
  2. מלאו את שני התאים באלקטרוליט 1 M KOH.
  3. רשום CV מ- V 0 עד V 1.2 ב- mV/s 50 ו- EIS (kHz 10 עד Hz 0.1 , אמפליטודה של mV 10) בפוטנציאל מעגל פתוח. בפוטנציוסטט המעבדה האוטומטית, השתמש בפונקציית קביעת OCP (פוטנציאל מעגל פתוח) כדי להקליט OCP.
  4. האירו את תא ה-PV באור שמש אחת באמצעות סימולטור סולארי הממוקם במרחק של 6 ס"מ, או בהירות של שמש אחת על התא.
  5. חבר מסופי PV לאלקטרודות והקלט עקומה פוטנציומטרית כרונומטרית של 0 A. ניטור ורישום זרם לחישובי יעילות.
  6. חבר את יציאת הקתודה ל-GC ונתח את ייצור המימן כל 10 דקות באמצעות גלאי מוליכות תרמית (TCD) עם חנקן כגז נשא.

7. מכלול אלקטרוליזר אפס פער

  1. שוטפים במים ומכינים תא עם אפס פערים. הכן צינורות פוליוויניל פרופילן נקיים ואביזרים אחרים, כמו ערכי דחיפה ומשיכה המתאימים לצינור ליצירת צמתים בין חלקים שונים של מכלול אלקטרוליזה של מים אלקליין.
  2. ערמו את הדברים הבאים ברצף: צלחת אנודה תאית, אנודהNiCo@Ti 3C2T x-MXene-Ni-Foam, אטם (זהה או מעט עבה יותר (0.1 מ"מ) מעובי האנודה), קרום חילופי אלקליין, אטם, קתודה Pt/C ולבסוף צלחת תא קתודה. השתמש במוטות מיקום ליישור אם זמין, או הקפד לשמור על השכבות יציבות ונייחות על שולחן.
  3. הרכיבו את האלקטרוליזר עם יישור נכון של כל השכבות ולוחות הקצה. אבטח היטב באמצעות ברגים.
  4. חבר את התא למשאבות פריסטלטיות במחזור של 30% KOH ב-30 מ"ל לדקה. ניתן לכוונן את קצב הזרימה של אלקטרוליטים, ובהתאם להתפתחות הגז ולטמפרטורה, ניתן להגדיל את האלקטרוליטים לסילוק גז ופעילות טובים יותר.
  5. שמור על מאגר האלקטרוליטים בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס באמצעות אמבט שמן ופקח עם בדיקת טמפרטורה. הקפד לא לגעת בתא או במאגר ללא כפפות תרמיות.
    הערה: 30% KOH הוא קאוסטי מאוד ועלול לגרום לכוויות. בצע את כל הניסויים באמצעות ציוד מגן אישי מתאים. אחסן אלקטרוליטים נוספים בקולט אדים ושמור את מאגר האלקטרוליטים על משטח ישר הנתמך ומאוזן היטב כדי למנוע שפיכה.

8. חישוב היעילות הפראדית

  1. השתמש במשוואה הבאה:
    figure-protocol-1
    כאשר Qprod הוא המטען המשמש ליצירת המוצר (למשל, מימן או מוצר CO2R), ו-Q הכולל הוא המטען הכולל שהועבר.
    הערה: השלך את כל הפסולת המכילה HF ו-HCl בהתאם לפרוטוקולי פסולת מסוכנת מוסדית. התייעץ עם גיליונות נתוני בטיחות חומרים (MSDS) ואנשי בריאות ובטיחות סביבתית (EHS) לקבלת הדרכה לסילוק.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

טכניקת עקיפה של קרני רנטגן משמשת לניתוח מבנה הגביש המוצק של סרטי המתכת. חותכים דגימות סרט בגודל מתאים (מתאים לבדל הדגימה של מכונת XRD). טען את הדגימות במכונה וסרוק טווח של 2Θ מ-10° עד 80°. גרף ה-XRD שהתקבל מציג אותות שיא עבור מישורי הגביש הקיימים בחומר. השתמש בדפוס הייחוס של המרכז הבינלאומי לנתוני עקיפה (ICDD) כדי לזהות ולנתח עוד יותר את מבנה הגביש, כמו פסגות ראשיות, מרווח d והיסטי שיא עקב היווצרות סגסוגת. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) משמש להצגת המבנה ה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מחקר זה מציג את הפרוטוקול לסינתזה של אלקטרודות דו-מתכתיות לתגובות חמצון חיזור מונעות שמש לייצור דלק. הפחתת הפחמן של מגזר האנרגיה תלויה במידה רבה בהמרתCO20 35,36,37 ושימוש בדלקים אפסיים כמו מימן המופק ממים 38,39. טרנספורמציה אלקטרוכימית מונעת שמש של פחמן דו חמצני ומים זקוקה לשילוב של זרזים (אנודות וקתודה) המתפקדים בביצועי השיא ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

לסופרים אין מה לחשוף.

תודות

המחברים מבקשים להכיר בתמיכתו של מכון הנרי רויס לחומרים מתקדמים באמצעות תוכנית שיתוף הפעולה התעשייתי (RICP-R4-100061) ו-MATcelerateZero (MATZ0), הממומנת ממענק שניתן על ידי מועצת המחקר להנדסה ומדעי הפיזיקה EP/X527257/1. המחברים מודים למחלקה לביטחון אנרגיה ואפס נטו (מזהה פרויקט: NEXTCCUS), למחקר, חדשנות ומעורבות גלובלית של אוניברסיטת קולג' לונדון, לפרסי שיתוף הפעולה של אוניברסיטת סידני - יוניברסיטי קולג' לונדון, לקרנות השותפים האסטרטגיים של אוניברסיטת UCL-פקין, לפרסי שיתוף הפעולה האסטרטגי הגלובלי של קורנל-UCL ולקרן הזרעים המשותפת של IISc-UCL על תמיכתם הכספית. המחברים מודים לתוכנית ACT (האצת טכנולוגיות CCS, פרויקט Horizon 2020 מס' 691712) על התמיכה הכספית בפרויקט NEXTCCUS (מזהה פרויקט: 327327). עבודה זו נתמכה על ידי מכון הנרי רויס לחומרים מתקדמים באמצעות תוכנית הגישה לציוד, המאפשרת גישה לחבילת Royce SEM-FIB בקיימברידג'; מענק מתקני קיימברידג' רויס EP/P024947/1 ומכון סר הנרי רויס - מענק חוזר EP/R00661X/1.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Autolab 302מטרוהם בריטניהPGSTAT302Nהוא מעריך את הפעילות האלקטרוכימית של המערכת (CO2R ו-WE)
נקטראט קובלט הקשהידרטסיגמא אלדריץ' 98 10026-22-9קדם לאנודת אלקטרוליזה של מים
טריהידרט ניטראט נחושתסיגמא אלדריץ'10031-43-3.קדם לקתודה CO2R
מקור אורSOION טקמנורת קסנוןמקור אור להאיר את תא השמש
ניקל ניטראט הקשהידרטסיגמא אלדריץ'13478-00-7קדם לאנודת אלקטרוליזה של מים
כרומטוגרפיית גז מקוונתאג'ילנט8890מחובר לתא האלקטרוכימי ומעביר דגימה, ~10 מיקרוליטר גז כל 10 דקות או זמן המתואר בפקודה לזיהוי וכמות.
משאבות פריסטלטיות SOION טקBT100-3Jלזרימת אלקטרוליט בתא ללא פערים.
אשלגן הידרוקסידסיגמא אלדריץ'1310-58-3אלקטרוליט ל-CO2R ואלקטרוליזה של מים.
תא סולארי (תא פוטו-וולטאי)מחסן תאי דלקתא טנדם מסיליקון שיכול לספק עד 4 וולט של פוטנציאל וזרמים של ~300mA
ממברנת הקיימותחומרים דו-חמצנייםX37-50 דרגת RTממברנת חילוף אניון המשמשת להעברת יונים מקתודה לאנודה ועצירת גזים ומוצרים.
Ti3C2Tx MXeneמעבדת אנאסורי, אוניברסיטת פרדו
ויוניקמטרוהם בריטניה3500001080הוא מעריך את הפעילות האלקטרוכימית של המערכת (CO2R ו-WE) בזרמים גבוהים יותר. יש לו זרם גבוה יותר וחלונות פוטנציאליים.
ציטראט אבץסיגמא אלדריץ'480762קדם לקתודה CO2R

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

ייצור דלק סולאריחיזור אלקטרוכימי של CO2אלקטרוליזה של מיםזרזים נתמכים על MXeneקתודת נחושת-אבץאנודת ניקל-קובלטשיקוע אלקטרוכימי בפולסיםאלקטרוליזה בסיסיתכרומטוגרפיה גזיתוולטמטריה מחזורית
ייצור דלק ירוק אלקטרוכימי מונע שמש מ-CO2 ומים באמצעות זרזי CuZn ו-NiCo נתמכיTi 3C2T x MXene
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.