一種更好將二氧化碳轉化為燃料和產品的模型

世界上一些地區在生產廉價的可再生能源方面非常成功，以至於我們有時會能源過剩。這種低成本能源的一種可能的用途是：使用一種稱為膜電極組件的裝置將二氧化碳轉化為燃料和其他產品。

來自勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 和加州大學伯克利分校的一個科學家團隊開發了一種新的方法，通過物理建模來了解這項有前景的技術。最近發表在《自然化學工程》雜誌上的論文，可以幫助科學家了解如何提高膜電極組件的效率。

二氧化碳可以轉化為有價值的原料，例如一氧化碳和乙烯，製造商使用這些原料生產包括化學品和包裝在內的產品。一種方法是使用膜電極組件，這是一種由隔膜隔開的兩個電極組成的裝置。膜電極組件也用於燃料電池（將氫等輸入轉化為電力），它有望能夠利用剩餘的可再生能源來運行催化二氧化碳轉化為其他化學品的反應序列。但這些裝置存在效率問題，其工作原理尚未完全了解。

「膜電極組件是複雜的多層系統。每一層都包含不同的化學物質、添加劑和顆粒。」伯克利實驗室的高級科學家、本研究的通訊作者 Adam Weber 說。「通常，我們並不真正了解為什麼使用膜電極組件的實驗會產生某些產品，或者為什麼它們無法轉化一定量二氧化碳的更大比例。」

計算機建模可以幫助預測哪些裝置參數將產生最佳結果，但它們往往在預測交叉等問題方面的準確性較低，交叉是指二氧化碳穿過膜而不是發生反應。為了提高模型的準確性，研究人員轉向了 Marcus-Hush-Chidsey 動力學，這是一個以前尚未整合到膜電極組件建模中的理論，它被證明對於理解反應機制至關重要。

研究人員根據實驗數據驗證了他們的模型，發現它比以前的模型更能預測現實世界的結果。除其他優點外，使用 Marcus-Hush-Chidsey 動力學使得考慮水分子的方向性成為可能。

然後，該團隊使用其模型進行了虛擬實驗，以探索不同的膜電極組件設計在二氧化碳利用率和對所需產品選擇性方面的性能。「通過這項工作，我們已經展示了如何將化學工程原理應用於這些正在線上運行的先進技術。」他說。「這為我們提供了優化這些電池設計和材料的見解和想法，以便我們可以繼續前進並製造它們。」

該團隊在虛擬測試中的一些變量包括催化劑層厚度和催化劑比表面積。他們還發現了關於耦合離子和水傳輸的重要性以及傳輸現象與反應和緩衝動力學之間權衡的設計規則。所有這些都會改變整體能量效率、獲得的產品和轉化的二氧化碳量。

「擁有系統的數位孿生可以讓你比實驗更快地探測更大的參數空間，實驗通常很複雜，需要特殊的設備。」Weber 說，並補充道：「我們無法在實驗中看到每個分子的位置。但在模型中，我們可以。」

Weber 說，這項研究的下一步是提高模型的複雜性，以便能夠觀察膜電極組件在其壽命內的性能以及其他變量。

這項研究部分得到了美國能源部生物能源技術辦公室和伯克利實驗室實驗室主任研究與開發基金的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。