Hiệu suất lò phản ứng điện hóa được cải thiện thông qua in 3D

Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) và các cộng tác viên của họ đang tận dụng sức mạnh của in 3D để cải thiện hiệu suất của các lò phản ứng điện hóa được sử dụng để chuyển đổi carbon dioxide (CO ₂ ) thành các nguồn năng lượng hữu ích, hóa chất và nguyên liệu thô.

Làm việc theo thỏa thuận hợp tác nghiên cứu và phát triển (CRADA) với Đại học Stanford và công ty dầu khí Total American Services, các nhà nghiên cứu LLNL và nhóm của họ lần đầu tiên đã chứng minh rằng in 3D có thể được sử dụng để tăng cường nhanh chóng các lò phản ứng điện hóa cho CO ₂ chuyển đổi, tăng hiệu quả đồng thời mở rộng hiểu biết cơ bản về các phản ứng.

Trong một bài báo được xuất bản bởi tạp chí Năng lượng & Khoa học Môi trường , nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng thông qua các thành phần của lò phản ứng in 3D, chúng có thể tạo ra năng suất cao hơn của các loại nhiên liệu và nguyên liệu thô mong muốn như etanol và ethylene thông qua các hệ thống điện hóa “nạp hơi” và đẩy nhanh quá trình xây dựng các lò phản ứng hiện đại từ vài tuần đến vài ngày hoặc vài giờ.

“Lợi thế thực sự của việc sử dụng in 3D là chúng tôi có thể có ý tưởng, thiết kế một lò phản ứng mới, in nó và thử nghiệm nó trong vòng 24 giờ,” Jeremy Feaster, đồng tác giả và nhà khoa học LLNL cho biết. “Điều đó thực sự đã mở ra cánh cửa để chúng tôi tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng theo cách mà nhiều lò phản ứng thông thường không có. Những gì chúng tôi có thể cho thấy là bạn có thể nhanh chóng lặp lại thiết kế và cắt giảm không chỉ thời gian mà còn cả chi phí để chế tạo những lò phản ứng này theo một số cấp độ lớn ”.

Các nhà nghiên cứu giải thích: Trong khi phần lớn các nghiên cứu về lò phản ứng điện hóa trong vài thập kỷ qua tập trung vào các chất xúc tác và vật liệu tham gia vào các phản ứng điện hóa, các thành phần của lò phản ứng hầu như bị bỏ qua, các nhà nghiên cứu giải thích. Thay vì tham gia vào lĩnh vực khám phá chất xúc tác đông đúc, nhóm LLNL quyết định sử dụng in 3D để khám phá môi trường xung quanh chất xúc tác nhằm tìm ra cách tốt hơn để kiểm soát nó, theo Eric Duoss, nhà điều tra đồng thời là kỹ sư nghiên cứu LLNL.

“Những điều diễn ra xung quanh chất xúc tác và ảnh hưởng của chúng đối với các phản ứng tổng thể vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng, vì vậy chúng tôi quyết định đó sẽ là thị trường ngách của chúng tôi,” Duoss nói. “Cộng đồng chưa bao giờ tận dụng sức mạnh của in 3D để đẩy nhanh chu trình thiết kế-xây dựng-thử nghiệm này. Nhóm của chúng tôi đã thực hiện một số khám phá thực sự nhanh chóng khi làm việc với các chất xúc tác hơi bình thường và không thú vị mà mọi người đã sử dụng trong một thời gian dài, và thông qua sự hiểu biết và kiểm soát môi trường địa phương, chúng tôi đã có thể đạt được các đặc tính và hiệu suất kỷ lục hoặc gần kỷ lục . ”

Sử dụng phép chiếu lập thể vi mô và các quy trình in 3D dựa trên quang hóa khác tại LLNL, nhóm đã thiết kế và in vỏ mới cho lò phản ứng và nhanh chóng lặp lại để tối ưu hóa hình dạng của các thiết kế, giúp cải thiện vận chuyển khối lượng tổng thể để cung cấp chất phản ứng và loại bỏ các sản phẩm từ môi trường xung quanh chất xúc tác. Các lò phản ứng đã được gửi đến Stanford, nơi các đội ở cả hai viện nghiên cứu đánh giá hiệu suất của họ.

Trong điều kiện trung tính, nhóm nghiên cứu có thể đạt được sản lượng ethylene cao (3,67%) và mức ethanol kỷ lục (3,66%).

“Kết hợp với tiềm năng điện hóa và tốc độ dòng chảy, việc bổ sung thiết kế lò phản ứng như một biến số cho phép chúng tôi đạt được các mục tiêu hiệu suất cao trong khi nghiên cứu các hạn chế về vận chuyển khối lượng được chứng minh bằng mô hình”, đồng tác giả và Tiến sĩ Stanford cho biết. ứng cử viên Daniel Corral, người cũng là Học giả Chương trình Hợp tác Học thuật LLNL. “Sử dụng sản xuất tiên tiến để thiết kế và hiện thực hóa các lò phản ứng với khoảng cách vận chuyển ngắn hơn và nhanh chóng thực hiện các thay đổi thiết kế hệ thống đã mang lại sản lượng cao đối với ethylene và ethanol trong chất điện phân có pH trung tính.”

Các nhà nghiên cứu cho biết các lò phản ứng in 3D, đủ nhỏ để nằm gọn trong lòng bàn tay, cuối cùng có thể được xếp chồng lên nhau để tạo ra một hệ thống điện phân có kích thước bằng một chiếc tủ lạnh và có khả năng trở thành một công nghệ đột phá và được thương mại hóa. _{Các hệ thống điện phân CO 2} như vậy sẽ giảm đáng kể lượng khí thải carbon (hoặc thậm chí có thể là một công nghệ phát thải âm) so với nhiều quy trình hóa học thông thường sử dụng các chất phản ứng có nguồn gốc từ hóa thạch. Các _{nhà nghiên cứu cho biết thêm, máy điện phân CO 2} cũng có thể đóng vai trò là nguồn đáng tin cậy cho vật liệu và nhiên liệu trong tương lai.

“Tầm nhìn của chúng tôi là lấy các chất xúc tác tốt nhất được phát triển bằng cách sử dụng khoa học cơ bản và tạo ra các lò phản ứng tận dụng tốt nhất các chất xúc tác đó,” đồng tác giả và đồng điều tra viên chính Sarah Baker, đồng thời là nhóm Vật liệu cho Năng lượng và Khí hậu của LLNL cho biết lãnh đạo. “Công trình cho thấy rằng hiệu suất, hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác được quyết định bởi toàn bộ hệ thống lò phản ứng xung quanh chất xúc tác. Khả năng in các lò phản ứng và thay đổi các tính năng như _{đường dẫn dòng khí CO 2} và thể tích lò phản ứng cho phép phản hồi nhanh chóng để giải quyết các giả thuyết về tác động thiết kế lò phản ứng. Chúng tôi hình dung rằng phản hồi này cũng có thể hỗ trợ việc mở rộng quy mô các lò phản ứng, nơi việc thay đổi quy mô có thể thay đổi hiệu suất. “

Roger Aines, nhà khoa học chính của Chương trình Năng lượng của LLNL cho biết thêm: “Tất cả chúng ta đều biết rằng khí hậu cần hành động nhanh chóng và việc đưa những cỗ máy này lên kích thước đầy đủ là ưu tiên hàng đầu. “Sản xuất phụ gia mang lại cho chúng tôi một cú đánh thực tế trong việc tăng tốc đáng kể thời gian ứng dụng thương mại.”

Ngoài việc chứng minh rằng in 3D có thể được sử dụng một cách hiệu quả để xây dựng các lò phản ứng nhằm _{giảm CO 2} , các nhà nghiên cứu của LLNL cho biết bài báo này đại diện cho một cơ hội để giới thiệu một cách tiếp cận “chuyển đổi mô hình” để thiết kế các lò phản ứng trong tương lai và suy nghĩ lại cách các phản ứng hóa học được thực hiện.

Duoss, người lãnh đạo Trung tâm Sản xuất và Vật liệu Kỹ thuật của LLNL, cho biết nhóm đang tiếp tục công việc trong khuôn khổ CRADA với Stanford và Total American Services để đẩy mạnh hơn nữa hiệu suất, tối ưu hóa thiết kế thông qua mô hình máy tính và khám phá kéo dài tuổi thọ của các lò phản ứng. Họ muốn hợp tác với ngành công nghiệp và in 3D các thành phần khác của lò phản ứng, chẳng hạn như điện cực, để nâng cao hiệu suất hiện đại và mở rộng quy mô công nghệ.

Duoss nói: “Chúng tôi đã cho thấy minh chứng đầu tiên về những gì có thể làm được với _{lò phản ứng CO 2} , nhưng tác động tiềm tàng còn lớn hơn thế nhiều. “Cách tiếp cận này sẽ thúc đẩy khám phá khoa học và triển khai công nghệ để hy vọng bắc cầu“ thung lũng chết chóc ”và chứng kiến những công nghệ này được thương mại hóa vào một thời điểm nào đó. Những thách thức về khí hậu và carbon của chúng ta là vô cùng lớn, và chúng đòi hỏi những loại giải pháp sáng tạo và đột phá này vì đơn giản là chúng ta không có thời gian để chờ đợi ”.

Tham khảo: “Sản xuất tiên tiến để tổng hợp điện từ nhiên liệu và hóa chất từ CO ₂ ” của Daniel Corral, Jeremy T. Feaster, Sadaf Sobhani, Joshua R. DeOtte, Dong Un Lee, b Andrew A. Wong, Julie Hamilton, Victor A. Beck, Amitava Sarkar, Christopher Hahn, Thomas F. Jaramillo, Sarah E. Baker và Eric B. Duoss, ngày 15 tháng 2 năm 2021, Khoa học Năng lượng & Môi trường .
DOI: 10.1039 / D0EE03679J

Công trình được tài trợ bởi chương trình Nghiên cứu và Phát triển do Phòng thí nghiệm Chỉ đạo và Dịch vụ Toàn Mỹ.

Các đồng tác giả bao gồm Sadaf Sobhani, Julie Hamilton, Victor Beck, Andrew Wong, Josh DeOtte và Christopher Hahn của LLNL; Dong Un Lee và Thomas Jaramillo của Đại học Stanford; và Amitava Sarkar của Total American Services.

Theo Scitechdaily