Misaotra anao nitsidika ny Nature.com. Voafetra ny fanohanana CSS amin'ny dikan-tranonkala ampiasainao. Ho an'ny vokatra tsara indrindra, manoro hevitra anao izahay hampiasa dikan-tranonkala vaovao kokoa (na hanafoana ny Compatibility Mode ao amin'ny Internet Explorer). Mandritra izany fotoana izany, mba hahazoana antoka fa mitohy ny fanohanana, dia asehonay ny tranonkala tsy misy endrika na JavaScript.
Ny fampihenana elektrokimia ny gazy karbonika ho asidra formika dia fomba iray mampanantena hanatsarana ny fampiasana gazy karbonika ary mety hampiasaina ho toy ny fitaovana fitahirizana hidrôzenina. Amin'ity asa ity, dia novolavolaina ny maritrano fivorian'ny elektroda membrane zero-gap ho an'ny fananganana elektrokimia mivantana ny asidra formika avy amin'ny gazy karbonika. Ny fandrosoana ara-teknolojia lehibe dia ny membrane fifanakalozana cation misy lavaka, izay, rehefa ampiasaina amin'ny firafitry ny membrane bipolar forward biased, dia mamela ny asidra formika miforona eo amin'ny fifandraisan'ny membrane hamindra amin'ny alàlan'ny saha mikoriana anodika amin'ny fifantohana ambany hatramin'ny 0.25 M. Raha tsy misy singa sandwich fanampiny eo anelanelan'ny anode sy cathode, ny foto-kevitra dia mikendry ny hampiasa ireo fitaovana sy endrika bateria efa misy izay mahazatra amin'ny sela solika sy ny electrolysis hidrôzenina, ahafahana mamindra haingana kokoa amin'ny fampitomboana sy ny fivarotana. Ao amin'ny sela 25 cm2, ny firafitry ny membrane fifanakalozana cation misy lavaka dia manome fahombiazana Faraday >75% ho an'ny asidra formika amin'ny <2 V sy 300 mA/cm2. Ny zava-dehibe kokoa, ny fitsapana fahamarinan-toerana 55 ora amin'ny 200 mA/cm2 dia naneho fahombiazana Faraday sy voltase sela marin-toerana. Ampiasaina ny fanadihadiana teknolojika sy ara-toekarena mba hanazavana ny fomba hahazoana fitoviana amin'ny vidiny amin'ny fomba famokarana asidra formika amin'izao fotoana izao.
Ny fampihenana elektrosimika ny gazy karbonika ho asidra formika amin'ny alàlan'ny herinaratra azo havaozina dia hita fa mampihena ny vidin'ny famokarana hatramin'ny 75%1 raha oharina amin'ny fomba nentim-paharazana mifototra amin'ny solika fôsily. Araka ny asehon'ny literatiora2,3, ny asidra formika dia manana fampiharana isan-karazany, manomboka amin'ny fomba mahomby sy ara-toekarena amin'ny fitahirizana sy fitaterana hidrôzenina mankany amin'ny akora fototra ho an'ny indostrian'ny simika4,5 na ny indostrian'ny biomass6. Ny asidra formika dia voafaritra ho akora fototra ho an'ny fiovam-po manaraka ho lasa mpanelanelana solika jet maharitra amin'ny alàlan'ny injeniera metabolika7,8. Miaraka amin'ny fivoaran'ny toekarena asidra formika1,9, asa fikarohana maromaro no nifantoka tamin'ny fanatsarana ny fifantenana katalista10,11,12,13,14,15,16. Na izany aza, ezaka maro no mbola mifantoka amin'ny sela H kely na sela mikoriana ranoka miasa amin'ny hakitroky ny courant ambany (<50 mA/cm2). Mba hampihenana ny fandaniana, hahazoana varotra ary hampitomboana ny fidirana an-tsena manaraka, ny fampihenana ny gazy karbonika elektrokimia (CO2R) dia tsy maintsy atao amin'ny hakitroky ny herinaratra avo lenta (≥200 mA/cm2) sy ny fahombiazan'ny Faraday (FE)17 sady mampitombo ny fampiasana fitaovana sy mampiasa ny singa bateria avy amin'ny teknolojia. Ny sela solika sy ny elektrolisisin'ny rano dia ahafahan'ny fitaovana CO2R manararaotra ny toekarena amin'ny ambaratonga18. Ho fanampin'izany, mba hampitomboana ny fampiasana ny famokarana sy hisorohana ny fanodinana fanampiny, ny asidra formika dia tokony hampiasaina ho vokatra farany fa tsy ny sira formate19.
Amin'io lafiny io, dia nisy ezaka natao vao haingana mba hampivelarana fitaovana elektroda fanaparitahana entona (GDE) mifototra amin'ny formate/formika CO2R mifandraika amin'ny indostria. Ny famerenana feno nataon'i Fernandez-Caso et al.20 dia mamintina ny firafitry ny sela elektrokimia rehetra ho an'ny fampihenana tsy tapaka ny CO2 ho asidra formika/formate. Amin'ny ankapobeny, ny firafitra rehetra efa misy dia azo zaraina ho sokajy telo lehibe: 1. Catholytes mikoriana19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Membrane tokana (membrane fifanakalozana cation (CEM)28 na membrane fifanakalozana anion (AEM)29 sy 3. Firafitra sandwich15,30,31,32. Ny fizarana tsotsotra amin'ireo firafitra ireo dia aseho amin'ny Sary 1a. Ho an'ny firafitra mikoriana ny catholyte, dia misy efitrano electrolyte noforonina eo anelanelan'ny membrane sy ny cathode an'ny GDE. Ny catholyte mikoriana dia ampiasaina hamoronana fantsona ion ao amin'ny sosona cathode an'ny catalyst33, na dia iadian-kevitra aza ny filàna azy hifehezana ny fifantenana formate34. Na izany aza, ity firafitra ity dia nampiasain'i Chen et al. Amin'ny fampiasana cathode SnO2 amin'ny substrate karbônina misy sosona catholyte 1.27 mm ny hateviny, dia nahatratra hatramin'ny 90% FE 35 amin'ny 500 mA/cm2. Ny fitambaran'ny matevina Ny sosona katôlita sy ny fonon-tsinga bipolar mivadika (BPM) izay mametra ny famindrana iôna dia manome voltase miasa 6 V ary fahombiazan'ny angovo 15%. Mba hanatsarana ny fahombiazan'ny angovo, Li et al., tamin'ny fampiasana firafitra CEM tokana, dia nahatratra FE 29 93.3% tamin'ny hakitroky ny courant fractional 51.7 mA/cm2. Diaz-Sainz et al.28 dia nampiasa milina fanivanana sivana misy fonon-tsinga CEM tokana amin'ny hakitroky ny courant 45 mA/cm2. Na izany aza, ny fomba rehetra dia namoaka formate fa tsy ny vokatra tiana indrindra, asidra formika. Ho fanampin'ny fepetra takiana amin'ny fanodinana fanampiny, amin'ny firafitra CEM, ny endrika toy ny KCOOH dia mety hiangona haingana ao amin'ny GDE sy ny sehatry ny fikorianan'ny rano, ka miteraka fameperana ny fitaterana ary mety tsy hahomby ny sela.
Fampitahana ireo firafitry ny fitaovana fiovam-po CO2R telo misongadina indrindra amin'ny asidra formate/formic sy ny maritrano naroso ato amin'ity fandalinana ity. b Fampitahana ny totalin'ny herinaratra sy ny vokatra asidra formate/formic ho an'ny firafitry ny katolita, firafitry ny sandwich, firafitry ny CEM tokana ao amin'ny literatiora (aseho ao amin'ny Tabilao Fanampiny S1) ary ny asanay. Ny marika misokatra dia manondro ny famokarana vahaolana formate, ary ny marika mivaingana dia manondro ny famokarana asidra formic. *Firafitry aseho amin'ny fampiasana hidrôzenina eo amin'ny anode. c Firafitry MEA zero-gap mampiasa fonon-tavoahangy bipolar mitambatra misy sosona fifanakalozana cation misy lavaka miasa amin'ny fomba forward bias.
Mba hisorohana ny fiforonan'ny formate, Proietto et al. 32 dia nampiasa rafitra fanindriana sivana tsy misy fizarana izay mikoriana amin'ny alalan'ny sosona anatiny ny rano deionized. Ny rafitra dia afaka mahatratra >70% CE amin'ny hakitroky ny courant 50–80 mA/cm2. Toy izany koa, Yang et al. 14 dia nanolotra ny fampiasana sosona anatiny electrolyte solid eo anelanelan'ny CEM sy AEM mba hampiroboroboana ny fiforonan'ny asidra formika. Yang et al.31,36 dia nahatratra 91.3% FE tao anaty sela 5 cm2 amin'ny 200 mA/cm2, ka namokatra vahaolana asidra formika 6.35 wt%. Xia et al. Amin'ny fampiasana rafitra mitovy amin'izany, ny fiovam-po 83% ny gazy karbonika (CO2) ho asidra formika FE dia tratra tamin'ny 200 mA/cm2, ary nosedraina nandritra ny 100 ora sy 30 minitra ny faharetan'ny rafitra. Na dia mampanantena aza ny vokatra amin'ny ambaratonga kely, ny fitomboan'ny vidiny sy ny fahasarotan'ny resina fifanakalozana ion porous dia mahatonga azy ho sarotra ny manitatra ny rafitra anatiny amin'ny rafitra lehibe kokoa (ohatra, 1000 cm2).
Mba hijerena ny fiantraikan'ireo endrika samihafa, dia nojerenay ny famokarana asidra formate/formic isaky ny kWh ho an'ireo rafitra rehetra voalaza tetsy aloha ary nasehonay tao amin'ny Sary 1b izany. Mazava eto fa ny rafitra rehetra misy catholyte na interlayer dia hahatratra ny fara tampony amin'ny fahombiazany amin'ny hakitroky ny courant ambany ary hiharatsy amin'ny hakitroky ny courant ambony kokoa, izay mety hamaritra ny voltase sela ny fetra ohmic. Ankoatra izany, na dia manome ny famokarana asidra formic molar ambony indrindra isaky ny kWh aza ny firafitra CEM mitsitsy angovo, ny fitomboan'ny sira dia mety hiteraka fihenan'ny fahombiazana haingana amin'ny hakitroky ny courant avo.
Mba hampihenana ireo fomba tsy fahombiazana noresahina teo aloha, dia namorona fivorian'ny elektroda membrane (MEA) misy BPM mitambatra misy fironana mandroso miaraka amin'ny membrane fifanakalozana cation perforated (PCEM) izahay. Aseho amin'ny Sary 1c ny maritrano. Ampidirina ao amin'ny anode ny hidrôzenina (H2) mba hamoronana prôtôna amin'ny alàlan'ny fihetsiky ny oksidasiona hidrôzenina (HOR). Ampidirina ao amin'ny rafitra BPM ny sosona PCEM mba ahafahan'ny ion formate vokarina ao amin'ny cathode mandalo ny AEM, mifangaro amin'ny prôtôna mba hamorona asidra formika eo amin'ny interface BPM sy ny mason-koditra interstitial an'ny CEM, ary avy eo mivoaka amin'ny anode GDE sy ny saha mikoriana. . Amin'ny fampiasana ity firafitra ity, dia nahatratra >75% FE amin'ny asidra formika amin'ny <2 V sy 300 mA/cm2 ho an'ny velaran'ny sela 25 cm2 izahay. Ny tena zava-dehibe dia ny fampiasana singa sy maritrano fitaovana azo vidiana eny an-tsena ho an'ny orinasa electrolysis sela solika sy rano, izay ahafahana manao fotoana haingana kokoa amin'ny scaling. Ny firafitra katolyte dia misy efitrano mikoriana katolyte izay mety hiteraka tsy fifandanjana eo amin'ny tsindry eo amin'ny dingana entona sy ranoka, indrindra amin'ny firafitra sela lehibe kokoa. Ho an'ny rafitra sandwich misy sosona porous amin'ny fikorianan'ny ranoka, dia ilaina ny ezaka goavana mba hanatsarana ny sosona intermediate porous mba hampihenana ny fihenan'ny tsindry sy ny fanangonan-tsolika gazy karbonika ao anatin'ny sosona intermediate. Samy mety hiteraka fikorontanan'ny fifandraisana amin'ny sela ireo roa ireo. Sarotra ihany koa ny mamokatra sosona manify porous mitsangana irery amin'ny ambaratonga lehibe. Mifanohitra amin'izany kosa, ny firafitra vaovao natolotra dia firafitra MEA zero-gap izay tsy misy efitrano fikorianana na sosona intermediate. Raha ampitahaina amin'ny sela elektrokimia efa misy, dia miavaka ny firafitra natolotra satria mamela ny famokarana mivantana ny asidra formika amin'ny firafitra azo ovaina, mitsitsy angovo, ary zero-gap.
Mba hampihenana ny fivoaran'ny hidrôzenina, ireo ezaka goavana amin'ny fampihenana ny CO2 dia nampiasa ny firafitry ny membrane MEA sy AEM miaraka amin'ny electrolytes avo lenta (ohatra, 1-10 M KOH) mba hamoronana toe-javatra alkaline ao amin'ny cathode (araka ny aseho amin'ny Sary 2a). Amin'ireo firafitra ireo, ireo ion formate miforona ao amin'ny cathode dia mandalo amin'ny membrane ho toy ny karazana fiampangana ratsy, avy eo dia miforona ny KCOOH ary mivoaka ny rafitra amin'ny alàlan'ny reniranon'ny KOH anodika. Na dia tsara aza ny formate FE sy ny voltase sela tamin'ny voalohany araka ny aseho amin'ny Sary 2b, ny fitsapana ny fahamarinan-toerana dia nahatonga ny fihenan'ny FE teo amin'ny 30% teo ho eo tao anatin'ny 10 ora monja (Sary S1a–c). Tsara homarihina fa ny fampiasana anolyte KOH 1 M dia tena ilaina mba hampihenana ny overvoltage anodika ao amin'ny rafitra fihetsika fivoaran'ny oksizenina alkaline (OER)37 ary hahazoana ny fidirana amin'ny ion ao anatin'ny fandriana katalista cathode33. Rehefa ahena ho 0.1 M KOH ny fifantohan'ny anolyte, dia mitombo ny voltazan'ny sela sy ny oksidasiona asidra formika (fahaverezan'ny asidra formika) (Sary S1d), izay mampiseho ny fifanakalozana aotra. Ny haavon'ny oksidasiona formate dia notombanana tamin'ny fampiasana ny fifandanjana faobe amin'ny ankapobeny; raha mila fanazavana fanampiny, jereo ny fizarana "Fomba". Nodinihina ihany koa ny fahombiazana tamin'ny fampiasana ny MEA sy ny firafitry ny membrane CEM tokana, ary aseho amin'ny Sary S1f,g ny valiny. Ny FE formate nangonina avy amin'ny cathode dia >60% tamin'ny 200 mA/cm2 tamin'ny fiandohan'ny fitsapana, saingy simba haingana tao anatin'ny adiny roa noho ny fanangonan'ny sira cathode noresahina teo aloha (Sary S11).
Kisarisin'ny MEA misy elanelana zero miaraka amin'ny CO2R ao amin'ny katôda, fihetsiky ny oksidasiona hidrôzenina (HOR) na OER ao amin'ny anoda, ary fonon-tavoahangy AEM iray eo anelanelany. b FE sy voltase sela ho an'ity firafitra ity miaraka amin'ny 1 M KOH sy OER mikoriana ao amin'ny anoda. Ny bara diso dia maneho ny fivilian-dàlana mahazatra amin'ny fandrefesana telo samihafa. ao amin'ny FE sy ny voltase sela rafitra miaraka amin'ny H2 sy HOR ao amin'ny anoda. Loko samihafa no ampiasaina hanavahana ny famokarana asidra formate sy formic. d Kisarisin'ny MEA miaraka amin'ny BPM nafindra mandroso eo afovoany. FE sy voltase bateria mifanohitra amin'ny fotoana amin'ny 200 mA/cm2 amin'ny fampiasana ity firafitra ity. f Sary miampita amin'ny BPM MEA mitongilana mandroso aorian'ny fitsapana fohy.
Mba hamokarana asidra formika, dia omena hidrôzenina ny katalista Pt-on-carbon (Pt/C) ao amin'ny anode. Araka ny aseho amin'ny Sary 2d, dia efa nodinihina teo aloha ny prôtôna mpamokatra BPM mitongilana mialoha ao amin'ny anode mba hahazoana famokarana asidra formika. Tsy nahomby ny fitaovana fanitsiana BPM rehefa afaka 40 minitra niasana tamin'ny herinaratra 200 mA/cm2, niaraka tamin'ny fiakaran'ny voltazy mihoatra ny 5 V (Sary 2e). Taorian'ny fitsapana, dia hita fa nisy delamination miharihary teo amin'ny interface CEM/AEM. Ankoatra ny formate, ny anions toy ny carbonate, bicarbonate ary hydroxide dia afaka mandalo amin'ny fonon'ny AEM ary mihetsika amin'ny prôtôna eo amin'ny interface CEM/AEM mba hamokarana entona CO2 sy ranoka, izay mitarika amin'ny delamination BPM (Sary 2f) ary, amin'ny farany dia mitarika amin'ny tsy fahombiazan'ny sela.
Mifototra amin'ny mekanisma fampisehoana sy ny tsy fahombiazan'ny firafitra etsy ambony, dia atolotra ny maritrano MEA vaovao araka ny aseho amin'ny Sary 1c ary amin'ny antsipiriany ao amin'ny Sary 3a38. Eto, ny sosona PCEM dia manome lalana ho an'ny fifindran'ny asidra formika sy ny anion avy amin'ny interface CEM/AEM, ka mampihena ny fiangonan'ny akora. Mandritra izany fotoana izany, ny lalan'ny interstitial PCEM dia mitarika ny asidra formika ho ao amin'ny medium diffusion sy ny saha mikoriana, ka mampihena ny mety hisian'ny oksidasiona asidra formika. Ny vokatry ny polarization amin'ny fampiasana AEM misy hatevina 80, 40 ary 25 mm dia aseho amin'ny Sary 3b. Araka ny nantenaina, na dia mitombo aza ny voltazy amin'ny sela amin'ny ankapobeny miaraka amin'ny fitomboan'ny hatevin'ny AEM, ny fampiasana AEM matevina kokoa dia misoroka ny diffusion miverina amin'ny asidra formika, ka mampitombo ny pH cathode ary mampihena ny famokarana H2 (Sary 3c–e).
a Sary maneho ny firafitry ny MEA miaraka amin'ny AEM sy CEM misy lavaka ary lalan'ny fitaterana asidra formika samihafa. b Voltazy sela amin'ny hakitroky ny courant samihafa sy hatevin'ny AEM samihafa. ao amin'ny EE amin'ny hakitroky ny courant samihafa miaraka amin'ny hatevin'ny AEM 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm. Ny bara fahadisoana dia maneho ny fivilian-dàlana mahazatra refesina avy amin'ny santionany telo misaraka. f Vokatra simulation amin'ny fifantohana asidra formika sy ny sandan'ny pH eo amin'ny interface CEM/AEM amin'ny hatevin'ny AEM samihafa. f PC sy pH ao amin'ny sosona cathode amin'ny katalista miaraka amin'ny hatevin'ny sarimihetsika AEM samihafa. g Fizarana roa refy amin'ny fifantohana asidra formika miaraka amin'ny interface CEM/AEM sy ny lavaka.
Ny Sary S2 dia mampiseho ny fizarana ny fifantohan'ny asidra formika sy ny pH manerana ny hatevin'ny MEA amin'ny fampiasana ny modely singa voafetra Poisson-Nernst-Planck. Tsy mahagaga raha ny fifantohana ambony indrindra amin'ny asidra formika, 0.23 mol/L, dia hita eo amin'ny interface CEM/AEM, satria ny asidra formika dia miforona eo amin'io interface io. Mihena haingana kokoa ny fifantohan'ny asidra formika amin'ny alàlan'ny AEM rehefa mitombo ny hatevin'ny AEM, izay manondro ny fanoherana bebe kokoa ny famindrana faobe sy ny fihenan'ny fikorianan'ny asidra formika noho ny diffusion miverina. Ny Sary 3 f sy g dia mampiseho ny pH sy ny sandan'ny asidra formika ao amin'ny fandriana katalista katôda vokatry ny diffusion miverina sy ny fizarana roa dimensions amin'ny fifantohan'ny asidra formika. Arakaraka ny manify ny fonon'ny AEM no avo kokoa ny fifantohan'ny asidra formika akaikin'ny katôda, ary lasa asidra ny pH an'ny katôda. Noho izany, na dia miteraka fatiantoka ohmika ambony kokoa aza ny fonon'ny AEM matevina kokoa, dia tena ilaina izy ireo mba hisorohana ny diffusion miverina amin'ny asidra formika mankany amin'ny katôda ary hampitomboana ny fahadiovana ambony amin'ny rafitra asidra formika FE. Farany, ny fampitomboana ny hatevin'ny AEM ho 80 μm dia niafara tamin'ny FE >75% ho an'ny asidra formika amin'ny <2 V ary 300 mA/cm2 ho an'ny velaran'ny sela 25 cm2.
Mba hitsapana ny fahamarinan'ity maritrano mifototra amin'ny PECM ity, dia notazonina tamin'ny 200 mA/cm2 nandritra ny 55 ora ny herin'ny bateria. Aseho amin'ny Sary 4 ny valiny ankapobeny, miaraka amin'ny valiny avy amin'ny 3 ora voalohany nasongadina tao amin'ny Sary S3. Rehefa nampiasa ny katalista anodika Pt/C, dia nitombo be ny voltase sela tao anatin'ny 30 minitra voalohany (Sary S3a). Nandritra ny fotoana lava kokoa, dia nijanona ho tsy niova ny voltase sela, ka nanome tahan'ny fahasimbana 0.6 mV/ora (Sary 4a). Tamin'ny fiandohan'ny fitsapana, ny PV an'ny asidra formika nangonina tao amin'ny anoda dia 76.5% ary ny PV an'ny hidrôzenina nangonina tao amin'ny katôda dia 19.2%. Taorian'ny adiny voalohany nanaovana fitsapana, dia nihena ho 13.8% ny FE hidrôzenina, izay manondro ny fanatsarana ny fifantenana formate. Na izany aza, ny tahan'ny oksidasionan'ny asidra formika ao amin'ny rafitra dia nihena ho 62.7% tao anatin'ny 1 ora, ary ny tahan'ny oksidasionan'ny asidra formika anodika dia nitombo avy amin'ny saika aotra tamin'ny fiandohan'ny fitsapana ho 17.0%. Vokatr'izany, ny FE an'ny H2, CO, asidra formika ary ny tahan'ny oksidasiôna anodika amin'ny asidra formika dia nijanona ho marin-toerana nandritra ny fanandramana. Ny fitomboan'ny oksidasiôna asidra formika nandritra ny adiny voalohany dia mety ho vokatry ny fiangonan'ny asidra formika eo amin'ny fifandraisan'ny PCEM/AEM. Rehefa mitombo ny fifantohan'ny asidra formika, dia tsy vitan'ny hoe mivoaka amin'ny alalan'ny lavaka amin'ny fonon-damba fotsiny izy, fa miparitaka amin'ny alalan'ny FEM mihitsy koa ary miditra amin'ny sosona anoda Pt/C. Koa satria ranoka ny asidra formika amin'ny 60°C, ny fiangonan'izy io dia mety hiteraka olana amin'ny famindrana faobe ary hiteraka oksidasiôna manokana kokoa noho ny hidrôzenina.
a Voltazy sela mifanohitra amin'ny fotoana (200 mA/cm2, 60 °C). Ny sary kely dia mampiseho sarin'ny mikroskopia optika amin'ny fizarana MEA misy EM voaloboka. Bara mizana: 300 µm. b Fahadiovan'ny PE sy asidra formika mifandraika amin'ny fotoana amin'ny 200 mA/cm2 mampiasa anode Pt/C.
Ny endriky ny santionany tamin'ny fiandohan'ny fitsapana (BOT) nandritra ny fanomanana sy tamin'ny fiafaran'ny fitsapana (EOT) taorian'ny 55 ora nanaovana ny fitsapana ny fahamarinan-toerana dia nojerena tamin'ny fampiasana ny tomografia nano-X-ray (nano-CT), araka ny aseho amin'ny Sary 5 a. Ny santionany EOT dia manana haben'ny poti-katalista lehibe kokoa miaraka amin'ny savaivony 1207 nm raha oharina amin'ny 930 nm ho an'ny BOT. Ny sary HAADF-STEM sy ny valin'ny spectroscopy X-ray miparitaka angovo (EDS) dia aseho amin'ny Sary 5b. Na dia ahitana ny ankamaroan'ny poti-katalista kely kokoa aza ny sosona katalista BOT ary koa ny agglomerates lehibe kokoa, amin'ny dingana EOT dia azo zaraina ho faritra roa miavaka ny sosona katalista: ny iray misy poti-javatra mivaingana lehibe kokoa ary ny iray misy faritra misy porous kokoa. Isan'ny poti-javatra kely kokoa. Ny sary EDS dia mampiseho fa ny poti-javatra mivaingana lehibe dia manankarena Bi, mety ho Bi metaly, ary ny faritra misy porous dia manankarena oksizenina. Rehefa miasa amin'ny 200 mA/cm2 ny sela, ny hery ratsy an'ny katôda dia hiteraka fihenan'ny Bi2O3, araka ny asehon'ny valin'ny spectroscopy absorption X-ray in situ izay resahina etsy ambany. Ny valin'ny HAADF-STEM sy ny sarintany EDS dia mampiseho fa mandalo dingana fihenana ny Bi2O3, ka mahatonga azy ireo ho very oksizenina ary miangona ho poti-metaly lehibe kokoa. Ny lamina diffraction X-ray an'ny katôda BOT sy EOT dia manamafy ny fandikana ny angon-drakitra EDS (Sary 5c): Bi2O3 kristaly ihany no hita tao amin'ny katôda BOT, ary bimetaly kristaly no hita tao amin'ny katôda EOT. Mba hahatakarana ny fiantraikan'ny hery katôda amin'ny toetry ny oksidasionan'ny katalista katôda Bi2O3, dia novaina ny mari-pana manomboka amin'ny hery misokatra (+0.3 V vs RHE) ka hatramin'ny -1.5 V (vs RHE). Hita fa manomboka mihena amin'ny -0.85 V ny dingana Bi2O3 raha oharina amin'ny RHE, ary ny fihenan'ny hamafin'ny tsipika fotsy eo amin'ny sisin'ny spectrum dia manondro fa mihena ho 90% amin'ny RHE ny Bi metaly amin'ny -1.1. V raha oharina amin'ny RHE (Sary 5d). Na inona na inona mekanisma, dia tsy miova ny fifantenana ankapobeny ny formate ao amin'ny cathode, araka ny azo avy amin'ny H2 sy CO FE ary ny fiforonan'ny asidra formika, na dia eo aza ny fiovana lehibe eo amin'ny endriky ny cathode, ny toetry ny oksidasionan'ny katalista, ary ny rafitra mikrokristalina.
a Rafitra telo refy amin'ny sosona katalista sy ny fizarana ny poti-katalista azo avy amin'ny nano-X-ray CT. Ambaratonga mizana: 10 µm. b Ambony 2: Sary HAADF-STEM amin'ny sosona katôda amin'ny katalista BOT sy EOT. Ambany 2: Sary HADF-STEM sy EDX nohalehibeazina amin'ny sosona katôda amin'ny katalista EOT. Ambany mizana: 100 nm. c Endrika difraksiona X-ray amin'ny santionan'ny katôda BOT sy EOT. d Spektra fidiran'ny taratra X in situ amin'ny elektrôda Bi2O3 ao anaty 0.1 M KOH ho toy ny fiasan'ny hery (0.8 V hatramin'ny -1.5 V vs. RHE).
Mba hamaritana marina izay fahafahana misy hanatsarana ny fahombiazan'ny angovo amin'ny alàlan'ny fanakanana ny oksidasiona asidra formika, dia nampiasaina ny elektroda fanondroana H2 mba hamantarana ny anjara biriky amin'ny fatiantoka voltase39. Amin'ny hakitroky ny courant latsaky ny 500 mA/cm2, dia mijanona ambanin'ny -1.25 V ny potential cathode. Mizara roa lehibe ny potential anodic: ny hakitroky ny courant fifanakalozana HOR sy ny overvoltage teorika HOR 40 izay vinavinan'ny equation Bulter-Volmer efa voarefy teo aloha, ary ny ampahany sisa dia vokatry ny oksidasiona asidra formika. Noho ny kinetika fihetsika miadana kokoa raha oharina amin'ny HOR41, ny tahan'ny fihetsika oksidasiona asidra formika kely eo amin'ny anode dia mety hiteraka fitomboana be dia be amin'ny potential anodic. Ny valiny dia mampiseho fa ny fanakanana tanteraka ny oksidasiona asidra formika anodic dia afaka manafoana ny overvoltage efa ho 500 mV.
Mba hitsapana ity tombana ity, dia novaina ny tahan'ny fikorianan'ny rano deionized (DI) eo amin'ny fidirana anode mba hampihenana ny fifantohan'ny asidra formika mivoaka. Ny sary 6b sy c dia mampiseho ny FE, ny fifantohan'ny asidra formika, ary ny voltazy sela ho toy ny fiasan'ny fikorianan'ny DI eo amin'ny anode amin'ny 200 mA/cm2. Rehefa nitombo avy amin'ny 3.3 mL/min ka hatramin'ny 25 mL/min ny tahan'ny fikorianan'ny rano deionized, dia nihena avy amin'ny 0.27 mol/L ka hatramin'ny 0.08 mol/L ny fifantohan'ny asidra formika eo amin'ny anode. Raha ampitahaina, amin'ny fampiasana ny rafitra sandwich naroson'i Xia et al. 30, dia azo ny fifantohan'ny asidra formika 1.8 mol/L amin'ny 200 mA/cm2. Ny fampihenana ny fifantohana dia manatsara ny FE ankapoben'ny asidra formika ary mampihena ny FE an'ny H2 rehefa lasa alkaline kokoa ny pH cathode noho ny fihenan'ny diffusion miverina amin'ny asidra formika. Ny fihenan'ny fifantohan'ny asidra formika amin'ny fikorianan'ny DI ambony indrindra dia saika nanafoana ny oksidasionan'ny asidra formika, ka nahatonga ny voltase sela manontolo ho latsaky ny 1.7 V amin'ny 200 mA/cm2. Misy fiantraikany amin'ny fahombiazana amin'ny ankapobeny ihany koa ny mari-pana amin'ny bateria, ary aseho amin'ny Sary S10 ny valiny. Na izany aza, ny maritrano mifototra amin'ny PCEM dia afaka manatsara be ny fahombiazan'ny angovo amin'ny fanakanana ny oksidasionan'ny asidra formika, na amin'ny alàlan'ny fampiasana katalista anodika miaraka amin'ny fifantenana hidrôzenina nohatsaraina mankany amin'ny asidra formika na amin'ny alàlan'ny fiasan'ny fitaovana.
a Famakafakana ny voltazin'ny sela amin'ny fampiasana elektroda H2 referansa sela miasa amin'ny 60 °C, anoda Pt/C ary AEM 80 µm. b Fifantohana FE sy asidra formika voangona amin'ny 200 mA/cm2 amin'ny fampiasana tahan'ny fikorianan'ny rano deionized anodika samihafa. c Rehefa manangona asidra formika amin'ny fifantohana samihafa ny anoda, dia 200 mA/cm2 ny voltazin'ny sela. Ny bara diso dia maneho ny fivilian-dàlana mahazatra amin'ny fandrefesana telo samihafa. d Ny vidin'ny fivarotana farany ambany voazarazara amin'ny fahombiazana amin'ny tahan'ny fikorianan'ny rano deionized isan-karazany amin'ny fampiasana ny vidin'ny herinaratra indostrialy nasionaly US$0.068/kWh sy US$4.5/kg hidrôzenina. (*: Ny toetry ny oksidasiona farany ambany indrindra amin'ny asidra formika eo amin'ny anoda dia heverina ho 10 M FA, ny vidin'ny herinaratra indostrialy antonony nasionaly dia $0.068/kWh, ary ny hidrôzenina dia $4.5/kg. **: Ny toetry ny oksidasiona farany ambany indrindra dia heverina ho asidra formika. Ny fifantohan'ny FA eo amin'ny anoda dia 1.3 M anoda, ny vidin'ny herinaratra andrasana amin'ny ho avy dia $0.03/kWh, ary ny tsipika teboteboka dia maneho ny vidin'ny tsena 85 wt% FA.
Nisy fanadihadiana ara-teknolojia sy ara-toekarena (TEA) natao mba hahazoana ny vidiny farany ambany indrindra amin'ny fivarotana solika amin'ny fepetra fiasana isan-karazany, araka ny aseho amin'ny Sary 5d. Ny fomba sy ny angon-drakitra momba ny TEA dia hita ao amin'ny SI. Rehefa avo kokoa ny fifantohana LC ao amin'ny fivoahan'ny anode, na dia avo kokoa aza ny voltase sela, dia mihena ny vidin'ny fitambaran'ny solika noho ny fihenan'ny vidin'ny fisarahana. Raha azo ahena ny oksidasiona anodika amin'ny asidra formika amin'ny alàlan'ny fampivoarana ny katalista na ny teknolojia elektroda, ny fitambaran'ny voltase sela ambany kokoa (1.66 V) sy ny fifantohana FA ambony kokoa ao amin'ny rano maloto (10 M) dia hampihena ny vidin'ny famokarana FA elektrokimia ho 0.74 dolara amerikana/kg (mifototra amin'ny herinaratra). vidiny) $0.068/kWh sy $4.5/kg hidrôzenina42. Ankoatra izany, rehefa ampiarahina amin'ny vinavina ho an'ny vidin'ny herinaratra azo havaozina $0.03/kWh sy ny hidrôzenina $2.3/kg, dia mihena ho 1.3 tapitrisa ny tanjona amin'ny rano maloto FA, ka miteraka vinavina ho 0.66/kg43 ny vidin'ny famokarana farany. Mitovy amin'ny vidin'ny tsena ankehitriny izany. Noho izany, ny ezaka amin'ny ho avy izay mifantoka amin'ny fitaovana sy ny rafitra elektroda dia mety hampihena bebe kokoa ny anodization sady mamela ny fampiasana amin'ny voltazy sela ambany kokoa mba hamokarana fifantohana LC ambony kokoa.
Raha fintinina, dia nandalina rafitra MEA zero-gap maromaro izahay ho an'ny fampihenana ny CO2 ho asidra formika ary nanolotra rafitra misy fonon-taolana bipolar mitambatra izay ahitana fonon-taolana fifanakalozana cation perforated (PECM) mba hanamorana ny fifandraisana famindrana lanja membrane ho an'ny asidra formika vokarina. . Ity firafitra ity dia miteraka asidra formika >96% amin'ny fifantohana hatramin'ny 0.25 M (amin'ny tahan'ny fikorianan'ny anode DI 3.3 mL/min). Amin'ny tahan'ny fikorianan'ny DI ambony kokoa (25 mL/min), ity firafitra ity dia nanome hakitroky ny courant >80% FE amin'ny 200 mA/cm2 amin'ny 1.7 V mampiasa velaran-tselan'ny sela 25 cm2. Amin'ny tahan'ny DI anodika antonony (10 mL/min), ny firafitra PECM dia nitazona voltase marin-toerana sy haavon'ny asidra formika FE avo lenta nandritra ny 55 ora fitsapana tamin'ny 200 mA/cm2. Ny fahamarinan-toerana sy ny fifantenana avo lenta azo avy amin'ny katalista azo vidiana eny an-tsena sy ny fitaovana membrane polymeric dia azo hatsaraina bebe kokoa amin'ny alàlan'ny fampifangaroana azy ireo amin'ny electrocatalysts nohatsaraina. Hifantoka amin'ny fanitsiana ny fepetra fiasana, ny fifantenana katalista anode, ary ny firafitry ny MEA ny asa manaraka mba hampihenana ny oksidasiona asidra formika, ka hiteraka ranoka mivaingana kokoa amin'ny voltazy sela ambany kokoa. Ny fomba tsotra amin'ny fampiasana gazy karbonika ho an'ny asidra formika aseho eto dia manafoana ny filàna efitrano anolyte sy catholyte, singa sandwich, ary fitaovana manokana, ka mampitombo ny fahombiazan'ny angovon'ny sela sy mampihena ny fahasarotan'ny rafitra, ka mahatonga azy io ho mora kokoa ny mampitombo azy. Ny firafitra naroso dia manome sehatra ho an'ny fampandrosoana ny orinasa fiovam-po CO2 azo ampiharina ara-teknika sy ara-toekarena amin'ny ho avy.
Raha tsy misy voalaza manokana, dia nampiasaina araka ny nahazoana azy ny akora sy solvent rehetra. Novidina avy amin'ny US Research Nanomaterials, Inc ny katalista oksida bismuth (Bi2O3, 80 nm). Ny IONOMR no nanome ny vovoka polymer (AP1-CNN8-00-X). Novidina avy amin'ny Millipore Sigma ny marika Omnisolv® N-propanol (nPA) sy rano madio indrindra (18.2 Ω, rafitra fanadiovana rano Milli–Q® Advantage A10). Novidina avy amin'ny VWR Chemicals BDH® sy Fisher Chemical ny methanol sy acetone voamarina ACS. Nafangaro tamin'ny fangaro acetone sy methanol amin'ny tahan'ny 1:1 amin'ny lanja ny vovoka polymer mba hahazoana dispersion polymer misy fifantohana 6.5 wt.%. Omano ny ranomainty catalytic amin'ny alàlan'ny fampifangaroana Bi2O3 20g, rano madio indrindra, nPA ary dispersion ionomer ao anaty tavoara 30ml. Ny akora dia nahitana katalista 30 wt.%, tahan'ny ionomer amin'ny katalista 0.02 ary tahan'ny alikaola amin'ny rano 2:3 (40 wt.% nPA). Talohan'ny fampifangaroana, dia nampiana fitaovana fikosoham-bary zirconia 5mm Glen Mills 70g tao anatin'ilay fangaro. Napetraka teo amin'ny roller tavoahangy nomerika Fisherbrand™ tamin'ny 80 rpm nandritra ny 26 ora ny santionany. Avela hipetraka mandritra ny 20 minitra ny ranomainty alohan'ny hampiasana azy. Napetraka tamin'ny applicator mandeha ho azy Qualtech (QPI-AFA6800) ny ranomainty Bi2O3 tamin'ny fampiasana famenoana tariby laboratoara 1/2″ x 16″ (RD Specialties - savaivony 60 mil) tamin'ny 22°C. Napetraka tamin'ny mpitondra entona karbônina Sigraacet 39 BB 7.5 x 8 inch (fitahirizana sela solika) tamin'ny alàlan'ny fametrahana tsorakazo amin'ny hafainganam-pandeha raikitra 55 mm/segondra. Afindrao ao anaty lafaoro ireo elektroda voarakotra ireo ary maina amin'ny 80°C. Aseho amin'ny Sary S4a sy b ny fizotran'ny fametahana amin'ny tsorakazo sy ny sarin'ny fametahana GDE. Ny fitaovana fitiliana taratra X (XRF) (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) dia nanamafy fa ny enta-mavesatry ny GDE voarakotra dia 3.0 mg Bi2O3/cm2.
Ho an'ny firafitry ny membrane mitambatra misy membrane fifanakalozana anion (AEM) sy CEM misy lavaka. Ny Nafion NC700 (Chemours, Etazonia) miaraka amin'ny hateviny 15 µm no nampiasaina ho sosona CEM. Ny katalista anodika dia nafafy mivantana teo amin'ny FEM miaraka amin'ny tahan'ny ionomer amin'ny karbônina 0.83 ary faritra fandrakofana 25 cm2. Ny platinum tohana miaraka amin'ny velaran-tany lehibe (50 wt.% Pt/C, TEC 10E50E, metaly sarobidy TANAKA) miaraka amin'ny enta-mavesatra 0.25 mg Pt/cm2 no nampiasaina ho katalista anoda. Ny Nafion D2020 (Ion Power, Etazonia) dia nampiasaina ho ionomer ho an'ny sosona anode amin'ny katalista. Ny fandrobana CEM dia atao amin'ny alàlan'ny fanapahana tsipika mifanitsy amin'ny sarimihetsika CEM amin'ny elanelana 3mm. Ny antsipirian'ny fizotran'ny fandrobana dia aseho amin'ny Sary S12b sy c. Tamin'ny fampiasana tomografia informatika X-ray, dia voamarina fa 32.6 μm ny elanelan'ny lavaka, araka ny aseho amin'ny Sary S12d sy e. Nandritra ny fanangonana sela, dia napetraka teo amin'ny taratasy Toray 25 cm2 (PTFE 5 wt% notsaboina, Fuel Cell Store, Etazonia) ny fonon'ny CEM voalalotra misy katalista. Napetraka teo ambonin'ny CEM ary avy eo teo amin'ny katôda GDE ny fonon'ny AEM (PiperION, Versogen, Etazonia) izay manana hatevina 25, 40 na 80 μm. Notapatapahina ho sombin-javatra 7.5 × 7.5 cm ny fonon'ny AEM mba handrakofana ny saha mikoriana manontolo ary nalona nandritra ny alina tao anaty vahaolana potassium hydroxide 1 M talohan'ny fanangonana. Samy mampiasa elanelana PTFE izay matevina ampy hahazoana famatrarana GDE tsara indrindra 18% ny anode sy ny katôda. Aseho amin'ny Sary S12a ny antsipirian'ny fizotran'ny fanangonana bateria.
Nandritra ny fitsapana, ny sela tafangona dia notazonina tamin'ny 60 °C (30, 60, ary 80 °C ho an'ny fanadihadiana momba ny fiankinan-doha amin'ny mari-pana) miaraka amin'ny entona hidrôzenina 0.8 L/min izay omena ny anoda ary gazy karbonika 2 L/min izay omena ny katôda. Samy nolemana tamin'ny hamandoana 100% sy tsindry katôda tanteraka 259 kPa ny rivotra anodika sy katôdika. Nandritra ny fampiasana, ny entona katôda dia nafangaro tamin'ny vahaolana 1 M KOH tamin'ny tahan'ny 2 mL/min mba hampiroboroboana ny fampiasana ny fandriana katalista katôda sy ny fitarihana ionika. Afangaro ny entona anodika amin'ny rano deionized amin'ny tahan'ny 10 ml/min mba hanesorana ny asidra formika ao amin'ny anoda. Ny antsipirian'ny fidirana sy ny fivoahan'ny fitaovana dia aseho amin'ny Sary S5. Ny entona fivoahan'ny katôda dia misy CO2 ary mamokatra CO sy H2. Ny etona rano dia esorina amin'ny alàlan'ny condenser (mpifanakalo hafanana amin'ny mari-pana ambany amin'ny 2°C). Ny entona sisa dia hangonina ho an'ny famakafakana ny fotoanan'ny entona. Handalo amin'ny alalan'ny "condenser" ihany koa ny fikorianan'ny anode mba hanasarahana ny ranoka amin'ny entona. Angonina ao anaty tavoahangy madio ny rano maloto ary hohadihadiana amin'ny alalan'ny "liquid chronometry" mba handrefesana ny asidra formika vokarina. Natao tamin'ny alalan'ny "Garm potentiostat" (laharana fanondroana 30K, Gamry, Etazonia) ny fitsapana elektrokimia. Talohan'ny nandrefesana ny fiolahana polarization, dia nohatsaraina in-4 ny sela teo anelanelan'ny 0 ka hatramin'ny 250 mA/cm2 tamin'ny alalan'ny "linear voltammetry" miaraka amin'ny tahan'ny "scan" 2.5 mA/cm2. Azo tamin'ny fomba galvanostatic ny fiolahana polarization miaraka amin'ny sela mihazona amin'ny hakitroky ny courant sasany mandritra ny 4 minitra alohan'ny handraisana santionany amin'ny entona katôda sy ny ranoka anolyte.
Mampiasa elektroda fanondroana hidrôzenina ao amin'ny MEA izahay mba hanasarahana ny potentiel cathode sy anodic. Aseho amin'ny Sary S6a ny firafitry ny elektroda fanondroana. Nampiasaina ho tetezana ionika ny fonon'ny Nafion (Nafion 211, IonPower, Etazonia) mba hampifandraisana ny fonon'ny MEA sy ny elektroda fanondroana. Ny tendrony iray amin'ny takelaka Nafion dia nampifandraisina tamin'ny elektroda fanaparitahana entona 1 cm2 (GDE) feno 0.25 mg Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) naparitaka tamin'ny taratasy karbônina 29BC (Fuel Cell Store, Etazonia). ). Ny fitaovana polyetheretherketone manokana (PEEK) dia ampiasaina mba hamehezana entona sy hiantohana ny fifandraisana tsara eo amin'ny takelaka GDE sy Nafion, ary hampifandraisana ny elektroda fanondroana amin'ny fitaovana sela solika. Ny tendrony ilany amin'ny takelaka Nafion dia mifandray amin'ny sisiny mipoitra amin'ny bateria CEM. Ny Sary S6b dia mampiseho ny fizarana hazo fijaliana amin'ny elektroda fanondroana tafiditra amin'ny MEA.
Rehefa mandalo ny "condenser" sy ny "gas-liquid separator" ny entona mivoaka, dia alaina avy ao amin'ny "cathode" ny santionan'ny entona. Nohadihadiana intelo farafahakeliny ny entona voaangona tamin'ny fampiasana "4900 Micro GC" (sivana molekiola 10 μm, Agilent). Nangonina tao anaty kitapo santionan'ny entona vita amin'ny "aluminium foil" maromaro sosona ny santionany, Supel™ (Sigma-Aldrich) nandritra ny fotoana voafaritra (30 segondra) ary nampidirina tanana tao amin'ny "microgas chromatograph" tao anatin'ny adiny roa taorian'ny fanangonana azy. Napetraka tamin'ny 110°C ny mari-pana fampidirana. Nosarahina tamin'ny tsanganana MS5A 10 m mafana (105°C) misy tsindry (28 psi) mampiasa argon (Matheson Gas-Matheson Purity) ho toy ny entona mpitondra ireo fifandraisana ireo. Hita ireo fifandraisana ireo amin'ny fampiasana ny "Thermal Conductivity Detector" (TCD) tafiditra ao anatiny. Aseho amin'ny Sary S7 ny "GC chromatograms" sy ny "CO" sy ny "H2 calibration curve". Nangonina avy tao amin'ny anode nandritra ny fotoana voafaritra (120 segondra) ny santionan'ny asidra formika ranoka ary nosivana tamin'ny fampiasana sivana PTFE 0.22 μm tao anaty tavoahangy 2 mL. Nohadihadiana tamin'ny fampiasana rafitra Agilent 1260 Infinity II bioinert high-performance liquid chromatography (HPLC) ny vokatra ranoka tao anaty tavoahangy, izay nampidirana santionany 20 μl tamin'ny alàlan'ny autosampler (G5668A) misy dingana finday misy asidra solifara 4 mM (H2SO4). ) amin'ny tahan'ny fikorianan'ny 0.6 ml/min (paompy quaternary G5654A). Nosarahina tamin'ny Aminex HPX-87H 300 × 7.8 mm (Bio-Rad) mafana (35°C, lafaoro tsanganana G7116A) nialohavan'ny tsanganana mpiambina Micro-Guard Cation H. Hita ny asidra formika tamin'ny fampiasana mpitsikilo diode array (DAD), amin'ny halavan'ny onjam-peo 210 nm sy bandwidth 4 nm. Aseho amin'ny Sary S7 ny chromatogram HPL sy ny fiolahana fanamarinana fenitra asidra formika.
Ny vokatra azo avy amin'ny entona (CO sy H2) FE dia kajy amin'ny fampiasana ity fampitoviana manaraka ity, ary ny mol-n'ny entona manontolo dia kajy amin'ny fampiasana ny fampitoviana entona idealy:
Anisan'izany: \({n}_{i}\): ny isan'ny elektrôna amin'ny fihetsika elektrokimika. \(F\): Tsy miovaovan'i Faraday. \({C}_{i}\): Fifantohana vokatra ranoka HPLC. \(V\): habetsahan'ny santionan'ny ranoka voaangona mandritra ny fotoana voafaritra t. \(j\): hakitroky ny courant. \(A\): Velaran-tany jeometrika amin'ny elektrôda (25 cm2). \(t\): fe-potoana fakana santionany. \(P\): tsindry tanteraka. \({x}_{i}\): Isan-jaton'ny entona voafaritry ny GC. \(R\): tsy miovaovan'ny entona. \(T\): mari-pana.
Ny fifantohan'ny cation anodika dia norefesina tamin'ny fampiasana ny inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES). Ny cation izay mety hivoaka na hiparitaka ao amin'ny anode dia ahitana ny Ti, Pt, Bi ary K. Ankoatra ny K, ny cation hafa rehetra dia ambanin'ny fetran'ny fahitana. Mamorona ion ao amin'ny vahaolana mamela ny anode hiaraka amin'ny prôtôna na cation hafa. Noho izany, ny fahadiovan'ny asidra formika dia azo kajy toy izao:
Ny famokarana formate/FA dia maneho ny habetsaky ny FA vokarina isaky ny kWh amin'ny herinaratra laniana amin'ny fampiasana endrika MEA manokana, amin'ny mol/kWh. Kajy mifototra amin'ny hakitroky ny courant, ny voltase sela ary ny fahombiazan'ny Faraday amin'ny fepetra fiasana manokana izany.
Kajy ny habetsaky ny asidra formika voaoksida ao amin'ny anoda mifototra amin'ny fifandanjan'ny lanja ankapobeny. Misy fihetsika mifaninana telo mitranga ao amin'ny katôda: ny fivoaran'ny hidrôzenina, ny fihenan'ny CO2 ho CO, ary ny fihenan'ny CO2 ho asidra formika. Satria manana dingana oksidasiona asidra formika ao amin'ny Anton isika, ny asidra formika FE dia azo zaraina ho roa: ny fanangonana asidra formika sy ny oksidasiona asidra formika. Ny fifandanjan'ny lanja ankapobeny dia azo soratana toy izao:
Nampiasa GC izahay mba handrefesana ny habetsahan'ny asidra formika, hidrôzenina, ary CO nangonin'ny HPLC. Tsara homarihina fa ny ankamaroan'ny asidra formika dia nangonina avy amin'ny anode tamin'ny fampiasana ny fametrahana aseho amin'ny Sary Fanampiny S5. Tsy dia misy dikany loatra ny habetsahan'ny formate nangonina avy amin'ny efitrano katôda, eo amin'ny ambaratonga roa latsaka eo ho eo, ary latsaky ny 0.5% amin'ny totalin'ny SC.
Ny modely fitaterana mitohy ampiasaina eto dia mifototra amin'ny asa teo aloha tamin'ny rafitra mitovy amin'izany34. Rafitra mifamatotra amin'ny fampitoviana Poisson-Nerst-Planck (PNP) no ampiasaina hamaritana ny fifantohan'ny rano sy ny mety ho herin'ny elektrostatika amin'ny dingana fitarihana elektronika sy ionika. Ny topimaso amin'ny antsipiriany momba ny fampitoviana fototra sy ny jeometrika modely dia omena ao amin'ny SI.
Ity rafitra ity dia mamaritra ny fifantohan'ny akora valo ao anaty rano (\({{{{{{\rm{C}}}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}}}_{2 \left ({{{{{{\rm{aq}}}}}}}\right)}\), \({{{{{{\rm{H}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{{\rm{HCOOH}}}}}}}\), \({{{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}^{- }\) sy \({{{ {{{\rm{K}}}}}}}^{+}\)), ny mety ho herinaratra statika ao amin'ny dingana fitarihana ionika (\({\phi }_{I}\ )) ary ny fitondran'ny elektrôna anodika sy katodika. Ny mety ho herinaratra statika amin'ny dingana (\({\phi }_{A}\) sy \({\phi }_{C}\) tsirairay avy). Tsy tanteraka kosa ny tsy fiandaniana elektrika eo an-toerana na ny fiasan'ny fizarana fiampangana, ny faritra fiampangana habaka dia vahana mivantana amin'ny alàlan'ny fampitoviana Poisson; Ity fomba fiasa ity dia ahafahantsika manao modely mivantana ny vokatry ny fandavana Donnan eo amin'ny interface CEM|AEM, CEM|Pore, ary AEM|Pore. Ho fanampin'izany, ny teoria elektroda porous (PET) dia ampiasaina hilazana ny fitaterana fiampangana ao amin'ny sosona anodika sy katodika amin'ny katalista. Araka ny fahalalan'ny mpanoratra, ity asa ity dia maneho ny fampiharana voalohany ny PET amin'ny rafitra misy faritra fiampangana habaka maromaro.
Notsapaina tamin'ny alalan'ny Zeiss Xradia 800 Ultra misy loharanon-taratra X 8.0 keV, fomba fidiran'ny taratra sy sehatra midadasika, ary fampifangaroana sary1 ny santionan'ny katôda GDE BOT sy EOT. Sary 901 no nangonina nanomboka tamin'ny -90° ka hatramin'ny 90° niaraka tamin'ny fotoana fiposahan'ny hazavana 50 segondra. Natao tamin'ny alalan'ny sivana "back projection" misy habe voxel 64 nm ny fanarenana. Natao tamin'ny alalan'ny kaody voasoratra manokana ny fanadihadiana ny fizarazarana sy ny fizarana ny haben'ny poti.
Ny famaritana mikroskopika elektrôna dia mahakasika ny fampidirana ireo MEA fitsapana ao anaty resina epoxy ho fanomanana ny fizarana manify dia manify amin'ny antsy diamondra. Ny hatevin'ny fizarana tsirairay amin'ny MEA dia notapatapahina hatramin'ny 50 ka hatramin'ny 75 nm. Ny mikroskopia elektrôna fandefasana Talos F200X (Thermo Fisher Scientific) dia nampiasaina tamin'ny fandrefesana mikroskopia elektrôna fandefasana scanning (STEM) sy ny spectroscopy X-ray miparitaka angovo (EDS). Ny mikroskopia dia misy rafitra EDS Super-X miaraka amin'ny mpitsikilo SDD tsy misy varavarankely 4 ary miasa amin'ny 200 kV.
Azo tamin'ny alalan'ny diffractometer X-ray vovoka Bruker Advance D8 misy taratra Cu Kα voasivana Ni miasa amin'ny 40 kV sy 40 mA ny lamina difraksiona taratra X vovoka (PXRD). Ny elanelan'ny fitiliana dia manomboka amin'ny 10° ka hatramin'ny 60°, ny haben'ny dingana dia 0.005°, ary ny hafainganam-pandehan'ny fakana angona dia 1 segondra isaky ny dingana.
Ny spektrum RAS eo amin'ny sisin'ny katalista Bi2O3 Bi L3 dia norefesina ho toy ny fiasan'ny hery anaty amin'ny fampiasana sela vita an-trano. Ny ranomainty ionomer katalitika Bi2O3 dia nomanina tamin'ny fampiasana Bi2O3 26.1 mg afangaro amin'ny vahaolana ionomer 156.3 μL (6.68%) ary nohafohezina tamin'ny 1 M KOH, rano (157 μL) ary alikaola isopropyl (104 μL) mba hahazoana ranomainty ionomer. Ny coefficient katalista dia 0.4. Ny ranomainty dia nampiharina tamin'ny takelaka graphene tamin'ny toerana mahitsizoro (10 × 4 mm) mandra-pahatongan'ny enta-mavesatry ny katalista Bi2O3 ho 0.5 mg/cm2. Ny ambin'ny takelaka graphene dia norakofana Kapton mba hanasarahana ireo faritra ireo amin'ny electrolyte. Ny takelaka graphene norakofana katalista dia nampidirina teo anelanelan'ny PTFE roa ary nafatotra tamin'ny vatan'ny sela (PEEK) tamin'ny alalan'ny visy, Sary S8. Hg/HgO (1 M NaOH) no nampiasaina ho elektroda fanondroana, ary ny taratasy karbônina no nampiasaina ho elektroda mifanohitra. Nohamarinina tamin'ny alalan'ny tariby platina natsoboka tao anaty hidrôzenina 0.1 M KOH ny elektrôda fanondroana Hg/HgO mba hanovana ny potentiel rehetra voarefy ho mizana elektrôda hidrôzenina azo averina (RHE). Azo ny spektra XRD tamin'ny fanaraha-maso ny potentiel an'ny elektrôda miasa takelaka Bi2O3/graphene natsoboka tao anaty 0.1 M KOH, nafanaina hatramin'ny 30 °C. Mivezivezy ao anaty bateria ny elektrôlita, miaraka amin'ny fidirana elektrôlita eo amin'ny faran'ny sela ary ny fivoahana eo an-tampony mba hahazoana antoka fa mifandray amin'ny sosona katalista ny elektrôlita rehefa miforona ny banga. Nampiasaina ny potentiôstat CH Instruments 760e mba hifehezana ny potentiol elektrôda miasa. Ny filaharan'ny potentiol dia potentiol circuit misokatra: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 ary +700 mV arakaraka ny RHE. Voahitsy ny potentiol iR rehetra.
Natao tao amin'ny fantsona 10-ID, Advanced Photon Source (APS), Argonne National Fluorescence Laboratory ny spektroskopia X-ray absorption fine structure (XAFS) Bi edge (~13424 eV ho an'ny metaly Bi). Laboratory Fandrefesana Modely Nasionaly. Nampiasaina ny monochromator Si(111) kristaly roa izay nangatsiaka tamin'ny azota ranoka mba hanitsiana ny angovon'ny taratra X, ary nampiasaina ny fitaratra voarakotra rhodium mba hampihenana ny votoatin'ny harmonic. Niovaova nanomboka tamin'ny 13200 ka hatramin'ny 14400 eV ny angovon'ny scan, ary norefesina ny fluorescence tamin'ny fampiasana diode PIN silicon 5 × 5 tsy misy sivana na Soller slits. Ny angovon'ny zero crossing an'ny derivative faharoa dia nohamarinina tamin'ny 13271.90 eV tamin'ny alàlan'ny sisin'ny L2 amin'ny foil Pt. Noho ny hatevin'ny sela elektrokimia, dia tsy azo natao ny nandrefy miaraka ny spectrum an'ny fenitra fanondroana. Noho izany, ny fiovan'ny angovon'ny taratra X miditra amin'ny scan-to-scan dia ±0.015 eV mifototra amin'ny fandrefesana miverimberina mandritra ny fanandramana. Ny hatevin'ny sosona Bi2O3 dia mitarika amin'ny ambaratonga sasany amin'ny fidiran'ny fluorescence ho azy; ny elektrôda dia mitazona fironana raikitra mifandraika amin'ny taratra miditra sy ny mpitsikilo, ka mahatonga ny scan rehetra ho mitovy. Ny spectrum XAFS akaiky dia nampiasaina mba hamaritana ny toetry ny oksidasiona sy ny endrika simikan'ny bismuth amin'ny alàlan'ny fampitahana amin'ny faritra XANES amin'ny fenitra Bi sy Bi2O3 amin'ny alàlan'ny algorithm linear combination fitting an'ny rindrambaiko Athena (version 0.9.26). amin'ny alàlan'ny kaody IFEFFIT 44.
Azo alaina avy amin'ny mpanoratra mifandraika amin'izany ny angon-drakitra manohana ireo tarehimarika ato amin'ity lahatsoratra ity sy ireo fehin-kevitra hafa avy amin'ity fanadihadiana ity raha misy fangatahana ara-drariny.
Crandall BS, Brix T., Weber RS ​​ary Jiao F. Fanombanana ara-teknolojia sy ara-toekarena ny rojo famatsiana media maitso H2. Angovo sy solika 37, 1441–1450 (2023).
Younas M, Rezakazemi M, Arbab MS, Shah J ary Rehman V. Fitehirizana sy fanaterana hidrôzenina maitso: fanalana hidrôzenina ny asidra formika amin'ny fampiasana katalista homogeneous sy heterogeneous mavitrika be. internationality. J. Gidrog. Energy 47, 11694–11724 (2022).
Nie, R. et al. Fandrosoana vao haingana teo amin'ny famindrana katalitika ny asidra formika amin'ny alalan'ny katalista metaly tetezamita heterogeneous. Katalogy AKS. 11, 1071–1095 (2021).
Rahimi, A., Ulbrich, A., Kuhn, JJ, ary Stahl, SS. Depolymerization ny lignin efa voaoksida ho lasa akora aromatika vokatry ny asidra formika. Nature 515, 249–252 (2014).
Schuler E. et al. Ny asidra formika dia miasa ho toy ny mpanelanelana fototra amin'ny fampiasana CO2. maitso. Simika. 24, 8227–8258 (2022).
Zhou, H. et al. Fizarazarana haingana tsy manimba (≤15 min) amin'ny biomass amin'ny fampiasana asidra formika mikoriana mba hanatsarana ny votoatin'ny gliosida sy lignin amin'ny ankapobeny. Simia sy Simia 12, 1213–1221 (2019).
Calvi, CH et al. Fitomboan'ny Cupriavidus necator H16 amin'ny formate amin'ny alàlan'ny injenieran'ny fampahalalana momba ny evolisiona adaptive laboratoire. Metabolites. injeniera. 75, 78–90 (2023).
Ishai, O. sy Lindner, SN Gonzalez de la Cruz, J., Tenenboim, H. sy Bar-Even, A. Biotoekarena momba ny formates. ankehitriny. Hevitra. Simia. biolojia. 35, 1–9 (2016).