Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene

2.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/68870

⸱

7 listopada 2025

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

W tym artykule

Podsumowanie

Protokół ten kieruje wytwarzaniem i analizą elektrochemiczną elektrokatalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez MXene do produkcji zielonego paliwa z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii słonecznej.

Streszczenie

Protokół ten opisuje syntezę i mapowanie aktywności katod dwumetalicznych, wspieranych MXene do redukcji dwutlenku węgla (CO2R) oraz anod do rozszczepiania wody wykorzystujących energię słoneczną w ośrodkach alkalicznych. Do kontroli nanostruktury, rafinacji ziaren oraz składu stopów wytwarzanych elektrod zastosowano technikę elektrodepozycji impulsu odwrotnego prądu. Zarówno anody, jak i katody są wolne od metali szlachetnych i wspierane na dwuwymiarowym (2D) węgliku tytanu (Ti3C2Tx) MXene, co zmniejsza opór kontaktowy i ułatwia transfer ładunku z podłoża do reagentów za pomocą katalizatorów. Miedź i (CuZn) obsługiwane na Ti3C2Tx MXene są używane jako katody do produkcji metanolu w termokatalitycznej konwersjiCO2 , a tutaj po raz pierwszy zademonstrowaliśmy ich skuteczność w elektrochemicznej redukcji CO2 (CO2R). Kobalt niklowy (NiCo) obsługiwany na Ti3C2Tx MXene jest podobnie wytwarzany przez elektrodepozycję impulsową i testowany jako anody do elektrolizy wody napędzanej ogniwem słonecznym w uproszczonych warunkach laboratoryjnych. Aktywność ta opisuje również charakterystykę strukturalną cienkich warstw metalicznych. Szczegółowa konfiguracja integracji nowoczesnego ogniwa krzemowego z tandemem z ogniwem elektrochemicznym, który z kolei zasila chromatografię gazową liniową, została zademonstrowana zarówno dla elektrolizyCO2R, jak i wody (WE). Na wykonanej anodzie z katodą pokrytą natryskiem Pt/C demonstrowano instalację szczegółowo opisującą elektrolizę wody w warunkach komercyjnych przy wysoce roztworach alkalicznych (30% KOH), w wysokich temperaturach (60 °C) oraz w ogniwie zero-gap oraz w ogniwie bez przerw.

Wprowadzenie

Zastąpienie paliw kopalnych alternatywami o zerowej emisji jest kluczowe dla dekarbonizacji sektora energetycznego i zwiększenia wykorzystania energii odnawialnej 1,2,3. Przekształcanie dwutlenku węgla (CO2) w tlenek węgla (CO), metan (CH4) i inne paliwa węglowe staje się ważną drogą zapobiegania dalszym emisjomCO2 itworzenia gospodarki dwutlenkowej 4. Podobnie, zastąpienie paliw kopalnych wodorem o wysokiej gęstości energii ma przyspieszyć przejście energetyczne z paliw opartych na kopalnych na paliwa zeroemisyjne 5,6,7,8. System wytwarzania energii może być dodatkowo opłacalny i przyjazny dla środowiska, wykorzystując bezpośrednie światłosłoneczne 9,10,11,12. Transformacja zielonej energii może przynieść pozytywne efekty społeczno-ekonomiczne, szczególnie poprzez wzmacnianie wpływu społecznego i tym samym zwiększanie kapitału społecznego związanego z zerową emisją paliw13.

Szeroki zakres badań poświęcono elektrochemicznej redukcjiCO2 i generacji wodoru 14,15 napędzanej przez energię słoneczną. Materiały na bazie miedzi wykazały doskonałą aktywność (>70% efektywności faradaicznej w kierunku produktuC2) w zakresie redukcjiCO2 16,17,18,19. Systemy bimetaliczne składające się z miedzi prowadzą do wzrostu efektywności Faradaickiej (FE) oraz ogólnej szybkości konwersji dwutlenku węgla. Główne wyzwania to wysokie przeciążenia, niższa efektywność faradaicka oraz selektywność pojedynczego produktu20. Integracja systemów fotowoltaicznych (PV) z reakcjami elektrochemicznymi wymaga nakładania się aktywności faradaicznej elektrokatalizatora z maksymalną mocą ogniwa słonecznego, aby osiągnąć zrównoważone tempo produkcji paliwa21,22. Systemy bimetaliczne Ni and Co były szeroko opisywane jako wysokowydajne anody do elektrolizy wody alkalicznej ze względu na ich nadpotencjał <600 mV przy prądach >100 mA/cm 23,24. Szybka degradacja katalizatora w prądach istotnych dla przemysłu ogranicza ich użyteczność jako anod komercyjnych. Zwarcie wywołane elektrolitami przez korozję na styku między warstwą metalu a podłożem dodatkowo utrudnia elektrolizę wody25,26.

MXenes, rosnąca rodzina dwuwymiarowych (2D) karbydów, atrydów i karbonitridów metali przejściowych, stały się obiecującymi materiałami do elektrochemicznej reakcji CO2Rze względu na swoje unikalne właściwości strukturalne i elektroniczne27,28. Po raz pierwszy odkryte w 2011 roku, MXenes pochodzą głównie z warstwowych faz Mn+1AXn (gdzie n = 1-4), które składają się z n+1 warstw jednego lub więcej metali przejściowych (M, zazwyczaj z grup 4-6), przeplatanych warstwami X, węglem (C), azotem (N) lub obiema (CN) oraz pierwiastkiem grupy A (zwykle z grup 13-16). Ich skład można strojić za pomocą różnych metali przejściowych grup 4 do 6, podsieci X (C/N), a Tx oznacza zakończenia powierzchni (np. -O, -OH, -F, -Cl)27,29,30). W CO2R MXenes są aktywnie badane jako współkatalizatory lub podpory ze względu na ich regulowalną chemię powierzchni, katalistycznie aktywne miejsca, dużą powierzchnię właściwą oraz przewodność elektryczną przypominającą metal.

Najnowsze badania teoretyczne przewidują, że dekorowanie MXenes bimetalicznymi lub pojedynczymi atomami może znacząco poprawić wydajność CO2R poprzez modulację ich struktury elektronowej. Strategie te przesuwają środek pasma d, modulują energie pośredniej adsorpcji oraz obniżają bariery energii swobodnej Gibbsa w krokach 31,32,33. Na przykład wykazano, że Mo2ZC2 MXenes (Z = Ti, V itd.) wzmacniają adsorpcję -HOCH2O i osłabiają wiązanie -OCH2O w elektrochemicznym CO2RR, zmniejszając tym samym potencjał ograniczający produkcję CH4 spowodowany przesunięciem w paśmie d w centrum atomów Mo. W innym badaniu Ti,3C xTx MXene dopłynięte przez Cu, osiągnęły sprawność Faradaicznej 58,1% w zakresie produkcji HCOO, wprowadzając polaryzowane miejsca ułatwiające adsorpcję pośrednią i transfer elektronów. Te nieliczne badania teoretyczne wskazują na potencjał badania bimetalicznych katalizatorów opartych na MXene w dostosowywaniu szlaków RRCO2.

Tutaj zsyntetyzowaliśmy CuZn@Ti3C2Tx MXene orazNiCo@Ti 3C2Tx MXene do elektrolizy CO2R oraz wody za pomocą prostej elektrodepozycji w jednym garnku. Zoptymalizowana procedura może być stosowana do nanoszenia różnych układów bimetalicznych lub polimetalicznych w zakresie stężenia od 5 do 100 mM każdy z kontrolą pH. Każdy zestaw pożądanych układów wymagałby strojenia pH i gęstości prądu zgodnie z ich potencjałami elektrochemicznymi, potencjałem osadzania, warunkami reakcji itd. Chociaż osadzanie można przeprowadzić na układzie dwuelektrodowym, zaleca się lepszą kontrolę napięcia depozycji za pomocą elektrod referencyjnych. Metoda ta pozwala na osadzanie dużych struktur oraz drobnych cząstek poprzez kontrolowanie parametrów reakcji, takich jak gęstość prądu, stosunek czasu włączenia-wyłączenia oraz pH. Udoskonalona i zoptymalizowana struktura ziaren dostrojona impulsami prądu wstecznego wykazuje wysoką sprawność Faradai'a (56% dla węglowodorów) dlaCO2R przy bardzo niskiej degradacji katalizatora. Elektroliza wody jest demonstrowana naNiCo@Ti 3C2Tx MXene w ogniwie H w warunkach laboratoryjnych z 98% FE oraz w ogniwie bez szczeliny w warunkach przemysłowych. Pokazano również demonstrację ustalania produktu in-line za pomocą chromatografii gazowej. Cała integracja systemu i jej działanie były ściśle monitorowane przy użyciu protokołów bezpiecznych z założenia ustanowionych w naszym laboratorium34.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Odczynniki i sprzęt użyty w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Synteza Ti3C2Tx MXene

  1. Przemyj 1 g zoptymalizowanej fazy Ti3AlC2 MAX przy użyciu 9 M kwasu solnego (HCl) przez 18 godzin, aby usunąć zanieczyszczenia międzymetalowe.
  2. Przygotuj roztwór trawiący, mieszając 12 M HCl, wody dejonizowanej (DI) i kwasu fluorowodorowego 50% masywności (HF) w proporcji objętościowej 6:3:1.
    UWAGA: Kwas fluorowodorowy (HF) jest wysoce toksyczny i. Wszystkie czynności związane z HF wykonuj w certyfikowanym okapie przeciwwyparowym, nosząc odpowiedni sprzęt ochrony osobistej (PPE), w tym rękawice, fartuch laboratoryjny i przyłbicę.
  3. Dodaj proszek MAX HCl do roztworu trawiącego i mieszaj z 400 obr./min przez 24 godziny w 35 °C.
  4. Przemyj trawiony Ti3C2Tx MXene wodą DI poprzez powtarzaną wirówkę w dawce 3234 x g przez 4-5 cykli (~200 mL każdy), każdy cykl po 10 minut, aż supernatant osiągnie neutralne pH około 6.
  5. Rozwarstwienie MXene należy dodać wymyty osad do roztworu chlorku litu (LiCl) (50 mL na gram trawionego proszku) i mieszać z częstotliwością 400 obr./min przez 1 godzinę w temperaturze 65 °C pod przepływem argonu.
  6. Przemyj mieszankę przez wirowanie w 3234 x g przez kolejne 5 minut, 10 minut, 15 minut i 20 minut w temperaturze pokojowej.
  7. Vortex wymieszaj końcową zawiesinę przez 30 minut w temperaturze pokojowej, następnie wiruj w 2380 x g przez 30 minut, aby uzyskać pojedynczą lub kilkawarstwową warstwę Ti3C2Tx MXene.

2. Przygotowanie prekursorów

  1. Rozproszyć 300 mg Ti3C2Tx MXen w 100 mL wody DI. Sonikuj przez 5 minut, aby zapewnić stabilną dyspersję.
  2. Przygotuj 30 mM roztwór cytrynianu miedzi oraz 10 mM roztworu szczawianu w wodzie DI. Upewnij się, że wszystkie rozwiązania są w kapturze z odpowiednią ochroną osobistą, unikając rozlania lub bezpośredniego kontaktu ze skórą.
  3. Przygotuj 50 mM roztworów azotanu niklu i azotanu kobaltu w wodzie DI.
  4. Przygotuj dyspersję 5 mg Pt/C w 50 mL wody DI i sonikuj przez 10 minut w temperaturze pokojowej.

3. Wytwarzanie elektrod

  1. Oczyść piankę niklową acetonem, a następnie sazotuj w wodzie DI przez 5 minut.
  2. Aktywuj papier węglowy (CFP), mocząc go w 1 M kwasu azotowego (HNO3) przez 20 minut. Aktywuj CFP w kapturze i używaj rękawiczek oraz odpowiedniego sprzętu ochronnego.
  3. Zanurz oczyszczoną piankę niklową (5 cm × 5 cm) w roztworze MXene na 5 minut. Susz w temperaturze pokojowej pod próżnią. Oznacz tę próbkę jako MXene-Ni-Foam.
  4. Naniesienie roztworu MXene natryskowym na aktywowany CFP. Oznacz próbkę jako MXene-CFP. Załaduj 50 ml roztworu Mxene do pistoletu natryskowego. Na odległości 5 cm spryskać tuszem aktywowany CFP, pokrywając całą powierzchnię CFP o wymiarach 2 cm x 2 cm.
  5. W szklanym ogniwie elektrochemicznym dodaj roztwory prekursorów Cu i Zn. Użyj elektrody referencyjnej Ag/AgCl, platynowej elektrody licznika oraz MXene-CFP jako elektrody roboczej, a następnie połącz elektrody z odpowiednimi połączeniami na potencjostatze.
    UWAGA: Na przykład elektroda MXene-CFP będzie połączona z połączeniem elektrody roboczej, podobnie jak też. Kąpiel elektrolitowa składała się z 50 mL roztworu cytrynianu Cu o pojemności 30 mM oraz 10 mM szczawianu Zn w wodzie z DI.
  6. Zastosuj następującą sekwencję osadzania prądu impulsowego: -10 mA/cm2 przez 1 s, 0 mA/cm2 (impuls zerowy) przez 0,5 s, +10 mA/cm² przez 0,5 s.
  7. Powtarzam przez 1000 cykli, aby zdeponować CuZn. Oznacz powstałą elektrodę jakoCuZn@Ti 3C2T x-MXene-CFP.
  8. W innej komórce dodaj roztwory prekursorowe Ni i Co. Użyj tej samej konfiguracji elektrod, ale zamień elektrodę roboczą na MXene-Ni-Foam. Upewnij się, że elektrody w ogniwie elektrochemicznym są prawidłowo połączone z odpowiednimi połączeniami na potencjostatze. Kąpiel elektrolityczna składa się z 50 mL azotanu Ni o zawartości 50 mM oraz azotanu Co w wodzie DI.
  9. Zastosuj ten sam cykl impulsowego osadzania (jak w kroku 3.6) dla zestawów 1000, aby uzyskać NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam.
  10. Wlej 50 mL Pt/C do pistoletu do natrysku. Z odległości 5 cm nanieś natrysk Pt/C na siatkę Ni i suszyć w piekarniku próżniowym w 60 °C, aby przygotować referencyjną katodę do elektrolizy wody.

4. Charakterystyka strukturalna

  1. Każdą elektrodę pokrój na kawałki o średnicy 0,5 cm × 1 cm.
  2. Wykonanie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) do analizy fazy i morfologii.
    UWAGA: Rozmiar części elektrod powinien być zbliżony do wytycznych dotyczących przygotowania próbek instrumentów XRD i SEM.

5. Elektrochemiczna redukcjaCO2

  1. Złóż komórkę H z membraną wymienną alkaliczną oddzielającą dwie komory.
  2. Użyj pianki Ni-Foam jako anody, a CuZn@Ti3C2T x-MXene-CFP (2 cm × 2 cm) jako katody. Użyj 1 M KOH jako elektrolitu w obu komorach. Dokładnie sprawdź, czy nie ma wycieków elektrolitów na styku membranowym. Dokręć złącze, żeby nie było wycieków.
    UWAGA: KOH jest silnie; Zakładaj odpowiednie środki ochrony osobistej, wkładaj wszystkie roztwory do okapu i unikaj kontaktu ze skórą. Trzymaj wszystkie urządzenia na płaskich powierzchniach, z dala od osobistych włamań i wtyk elektrycznych.
  3. Włóż elektrodę referencyjną Hg/HgO do komory katody. Uszczelnij system tak, aby był szczelny na gaz. Dodaj rurkę do wlotuCO2 i jedną do wylotu gazu w komorze katodowej.
  4. PrzepłukajCO2 do komory katodowej z częstotliwością 30 mL/min przez 15 minut, aby nasycić elektrolit.
  5. Oświetl ogniwo fotowoltaiczne (PV) intensywnością 1 słońca i podłącz je do ogniwa (dodatnia do anody, ujemna do katody).
  6. Rejestruj cykliczną woltammetrię (CV) od 0 V do -2,5 V przy 50 mV/s oraz EIS (100 kHz do 0,1 Hz) przy potencjale otwartego obwodu.
  7. Wykonaj pomiar potencjometryczny 0 A na 2 godziny, okresowo rejestrując prąd za pomocą multimetru. Zarejestrowany prąd może być użyty do obliczenia efektywności faradaicznej produktów.
  8. Podłącz wylot komory katodowej do chromatografu gazowego (GC) do pobierania próbek w linii co 10 minut. Zaprogramuj GC do wykrywania i ilościowego określania gazów trwałych. Użyj upakowanej kolumny, takiej jak sito molekularne, aby zidentyfikować gazy.
    UWAGA: Temperatura piekarnika jest ustawiona na stopniowe tempowanie z początkową temperaturą 150 °C i czasem utrzymania 2 minuty, a następnie do 200 °C z czasem utrzymania 1 minutę, aby umożliwić prawidłowe rozdzielenie i wydzielanie gazów z mieszaniny.

6. Elektrochemiczna elektroliza wody (OER)

  1. Powtórz konfigurację ogniwa H, NiCo@Ti3 C2T x-MXene-Ni-Foam jako anoda i Pt/C@Ni mesh jako katoda. Włóż elektrodę Hg/HgO jako elektrodę referencyjną w komorze anodowej razem z elektrodą roboczą.
  2. Napełnij obie komory 1 M KOH elektrolitu.
  3. Nagrywaj CV od 0 V do 1,2 V przy 50 mV/s oraz EIS (10 kHz do 0,1 Hz, amplituda 10 mV) przy potencie otwartego obwodu. W potencjostatycznym autolabie użyj funkcji OCP (potencjał otwartego obwodu) do rejestrowania OCP.
  4. Oświetl ogniwo fotowoltaiczne światłem 1-słonecznym za pomocą symulatora słonecznego umieszczonego 6 cm od ogniwa lub jasności 1 słońca na ogniwie.
  5. Podłącz zaciski PV do elektrod i zapisz chronopotencjometryczną krzywą 0 A. Monitoruj i rejestruj prąd do obliczeń efektywności.
  6. Podłącz wylot katody do GC i analizuj produkcję wodoru co 10 minut za pomocą detektora przewodności cieplnej (TCD) z azotem jako gazem nośnym.

7. Zespół elektrolizera bez przerw

  1. Przemyj wodą i przygotuj ogniwo bez przerw. Przygotuj czyste rurki poliwinylpropylenowe oraz inne akcesoria, takie jak wartości push and pull, które pasują do rurki, aby tworzyć połączenia między różnymi częściami zespołu elektrolizy wody alkalicznej.
  2. Ułóż następujące elementy kolejno: płytkę anodową komórki, NiCo@Tianoda 3C2T x-MXene-Ni-Foam, uszczelkę (taką samą lub nieco grubszą (0,1 mm) niż grubość anody), membranę wymienną alkaliczną, uszczelkę, katodę Pt/C oraz na końcu płytkę ogniwa katodowego. Używaj prętów pozycjonujących do wyrównania, jeśli jest dostępne, lub upewnij się, że warstwy są sztywne i nieruchome na stole.
  3. Złóż elektrolizer z prawidłowym wyrównaniem wszystkich warstw i płyt końcowych. Mocno zabezpiecz za pomocą.
  4. Podłącz ogniwo do pomp perystaltycznych krążących 30% KOH przy 30 mL/min. Przepływ elektrolitów można regulować, a w zależności od ewolucji gazu i temperatury elektrolity można zwiększyć dla lepszego usuwania i aktywności gazu.
  5. Utrzymuj zbiornik elektrolitu w temperaturze 60 °C za pomocą kąpieli olejowej i monitoruj ją sondą temperatury. Upewnij się, że nie dotykaj ogniwa ani zbiornika bez rękawic termicznych.
    UWAGA: 30% KOH jest bardzo i może powodować oparzenia. Wszystkie eksperymenty wykonuj z odpowiednim środkiem ochrony osobistej. Przechowuj nadmiar elektrolitów w okapie i trzymaj zbiornik elektrolitowy na płaskiej powierzchni, która jest dobrze podparta i zrównoważona, aby uniknąć rozlania.

8. Obliczanie efektywności Faradai'owskiej

  1. Użyj następującego równania:
    figure-protocol-1
    Gdzie Qprod to ładunek użyty do utworzenia produktu (np. wodór lub iloczynCO2R), a Qcałkowity ładunek to całkowity przepuszczony ładunek.
    UWAGA: Utylizować wszystkie odpady zawierające HF i HCl zgodnie z procedurami dotyczącymi odpadów niebezpiecznych w instytucjach. Skonsultuj się z kartami danych o ochronie materiałów (MSDS) oraz personelem ds. zdrowia i bezpieczeństwa środowiska (EHS) w celu uzyskania wskazówek dotyczących utylizacji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Do analizy stałej struktury krystalicznej metalowych stosuje się technikę dyfrakcji rentgenowskiej. Wytnij próbki filmu odpowiednio wielkej wielkości (pasujące do fragmentu próbki maszyny XRD). Załaduj próbki do maszyny i skanuj w zakresie 2Θ od 10° do 80°. Uzyskany wykres XRD pokazuje sygnały szczytowe dla płaszczyzn krystalicznych obecnych w materiale. Wykorzystaj wzorzec referencyjny International Centre for Diffraction Data (ICDD) do identyfikacji i dalszej analizy struktury krystalic...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Niniejsze badanie przedstawia protokół syntezy elektrod bimetalicznych dla reakcji redoksowych napędzanych przez słońce do generowania paliwa. Dekarbonizacja sektora energetycznego w dużej mierze zależy od konwersjiCO20 35,36,37 oraz stosowania paliw o zerowej emisji, takich jak wodór wytwarzany z wody 38,39. Elektrochemiczna transformacja dwutlenku węgla i wo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy pragną podziękować wsparciu Henry Royce Institute for Advanced Materials poprzez Program Współpracy Przemysłowej (RICP-R4-100061) oraz MATcelerateZero (MATZ0), finansowany z grantu przyznanego przez Engineering and Physical Sciences Research Council EP/X527257/1. Autorzy wyróżniają Departament ds. Bezpieczeństwa Energetycznego i Net Zero (ID projektu: NEXTCCUS), Research, Innovation and Global Engagement University College London, University of Sydney - University College London Partnership Awards, UCL-Peking University Strategic Partner Funds, Cornell-UCL Global Strategic Collaboration Awards oraz IISc-UCL Joint Seed Fund za ich wsparcie finansowe. Autorzy doceniają program ACT (Accelerating CCS Technologies, Horizon 2020 Project No. 691712) za wsparcie finansowe projektu NEXTCCUS (ID projektu: 327327). Prace te były wspierane przez Henry Royce Institute for Advanced Materials w ramach Equipment Access Scheme, umożliwiając dostęp do zestawu Royce SEM-FIB w Cambridge; Grant na obiekty Cambridge Royce EP/P024947/1 oraz Sir Henry Royce Institute – grant cykliczny EP/R00661X/1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Autolab 302Metrohm UKPGSTAT302NOcenia aktywność elektrochemiczną systemu (CO2R i WE)
Heksahydrat azotanu kobaltuSigma aldrich 98 10026-22-9Prekursor anody elektrolizy wody
Trihydrat azotanu miedziSigma Aldrich10031-43-3.prekursor katody CO2R
Źródło światłaSOION TechLampa ksenonowaŹródło światła do oświetlenia ogniwa słonecznego
Heksahydrat azotanu nikluSigma Aldrich13478-00-7Prekursor anody elektrolizy wody
Chromatografia gazowa onlineAgilent8890podłączony do ogniwa elektrochemicznego i wykonuje pętle próbki, ~10 mikrolitrów gazu co 10 minut lub czas opisany w poleceniu identyfikacji i ilościości.
Pompy perystaltyczne & nbsp;SOION TechBT100-3Jdo przepływu elektrolitu w ogniwie o zerowej szczelinie.
Wodorotlenek potasuSigma Aldrich1310-58-3Elektrolit do elektrolizy CO2R i wody.
Ogniwo słoneczne (ogniwo fotowoltaiczne)Magazyn ogniw paliwowychOgniwo tandemowe krzemowe, które może dostarczyć do 4 woltów potencjału i prądy ~300 mA
Membrana podtrzymywaniaMateriały dwutlenkoweX37-50 Grade RTmembrana wymiany anionów używana do transportu jonów z katody do anody oraz gazu stopowego i przejścia produktu.
Ti3C2Tx MXeneLaboratorium Anasoriego, Uniwersytet Purdue
VionicMetrohm UK3500001080Ocenia aktywność elektrochemiczną układu (CO2R i WE) przy wyższych prądach. Ma wyższe okna prądowe i potencjalne.
CytrynianSigma Aldrich480762prekursor katody CO2R

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Produkcja paliw słonecznychelektrochemiczna redukcja CO2elektroliza wodykatalizatory na nośniku z MXenekatoda miedziowo-cynkowaanoda niklowo-kobaltowaimpulsowe elektroosadzanieelektroliza alkalicznachromatografia gazowawoltametria cykliczna
Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.