Mengatasi hambatan dalam konversi karbon dioksida
Tech

Mengatasi hambatan dalam konversi karbon dioksida

Studi mengungkapkan mengapa beberapa upaya untuk mengubah gas rumah kaca – karbon dioksida – menjadi bahan bakar telah gagal, dan menawarkan solusi yang memungkinkan.

Jika para peneliti dapat menemukan cara untuk mengubah karbon dioksida secara kimiawi menjadi bahan bakar atau produk lain, mereka mungkin akan mengurangi emisi gas rumah kaca. Tetapi banyak proses seperti itu yang tampaknya menjanjikan di laboratorium tidak berjalan seperti yang diharapkan dalam format yang ditingkatkan yang akan sesuai untuk digunakan dengan pembangkit listrik atau sumber emisi lainnya.

Sekarang, para peneliti di MIT telah mengidentifikasi, menghitung, dan memodelkan alasan utama untuk kinerja yang buruk dalam sistem konversi semacam itu. Pelakunya ternyata penipisan lokal gas karbon dioksida tepat di sebelah elektroda yang digunakan untuk mengkatalisis konversi. Masalahnya dapat diatasi, tim menemukan, hanya dengan mematikan dan menghidupkan arus pada interval tertentu, memberikan waktu bagi gas untuk membangun kembali ke tingkat yang dibutuhkan di sebelah elektroda.

Peneliti MIT telah mengidentifikasi masalah yang cenderung membatasi proses kimia untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar atau bahan kimia lain yang berguna — dan cara mengatasi masalah itu.  Kredit gambar: Varanasi Lab / MIT

Peneliti MIT telah mengidentifikasi masalah yang cenderung membatasi proses kimia untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar atau bahan kimia lain yang berguna — dan cara mengatasi masalah itu. Kredit gambar: Varanasi Lab / MIT

Temuan, yang dapat memacu kemajuan dalam mengembangkan berbagai bahan dan desain untuk sistem konversi karbon dioksida elektrokimia, diterbitkan dalam jurnal Langmuir, dalam sebuah makalah oleh MIT postdoc lvaro Moreno Soto, mahasiswa pascasarjana Jack Lake, dan profesor teknik mesin Kripa Varanasi.

“Mitigasi karbon dioksida, menurut saya, adalah salah satu tantangan penting di zaman kita,” kata Varanasi. Sementara sebagian besar penelitian di daerah tersebut berfokus pada penangkapan dan penyerapan karbon, di mana gas dipompa ke beberapa jenis reservoir bawah tanah yang dalam atau diubah menjadi padatan inert seperti batu kapur, jalan lain yang menjanjikan telah mengubah gas menjadi karbon lain. senyawa seperti metana atau etanol, untuk digunakan sebagai bahan bakar, atau etilena, yang berfungsi sebagai prekursor untuk polimer yang berguna.

Ada beberapa cara untuk melakukan konversi tersebut, termasuk proses elektrokimia, termokatalitik, fototermal, atau fotokimia. “Masing-masing memiliki masalah atau tantangan,” kata Varanasi. Proses termal membutuhkan suhu yang sangat tinggi, dan mereka tidak menghasilkan produk kimia bernilai sangat tinggi, yang merupakan tantangan dengan proses yang diaktifkan cahaya juga, katanya. “Efisiensi selalu berperan, selalu menjadi masalah.”

Tim telah berfokus pada pendekatan elektrokimia, dengan tujuan mendapatkan “produk C lebih tinggi” – senyawa yang mengandung lebih banyak atom karbon dan cenderung menjadi bahan bakar bernilai lebih tinggi karena energinya per berat atau volume. Dalam reaksi-reaksi ini, tantangan terbesar adalah membatasi reaksi-reaksi yang bersaing yang dapat berlangsung pada saat yang sama, terutama pemecahan molekul air menjadi oksigen dan hidrogen.

Reaksi berlangsung sebagai aliran elektrolit cair dengan karbon dioksida terlarut di dalamnya melewati permukaan katalitik logam yang bermuatan listrik. Tetapi ketika karbon dioksida diubah, ia meninggalkan daerah dalam aliran elektrolit di mana ia pada dasarnya telah digunakan, dan dengan demikian reaksi di dalam zona yang terkuras ini berubah menjadi pemecahan air sebagai gantinya. Reaksi yang tidak diinginkan ini menghabiskan energi dan sangat mengurangi efisiensi keseluruhan proses konversi, para peneliti menemukan.

“Ada sejumlah kelompok yang mengerjakan ini, dan sejumlah katalisator yang ada di luar sana,” kata Varanasi. “Dalam semua ini, saya pikir ko-evolusi hidrogen menjadi hambatan.”

Salah satu cara untuk mengatasi penipisan ini, mereka temukan, dapat dicapai dengan sistem berdenyut — siklus hanya mematikan tegangan, menghentikan reaksi dan memberikan waktu karbon dioksida untuk menyebar kembali ke zona habis dan mencapai tingkat yang dapat digunakan lagi, dan kemudian melanjutkan reaksi.

Seringkali, kata para peneliti, kelompok telah menemukan bahan katalis yang menjanjikan tetapi belum menjalankan tes laboratorium mereka cukup lama untuk mengamati efek penipisan ini, dan dengan demikian telah frustrasi dalam mencoba meningkatkan sistem mereka. Selanjutnya, konsentrasi karbon dioksida di sebelah katalis menentukan produk yang dibuat. Oleh karena itu, penipisan juga dapat mengubah campuran produk yang dihasilkan dan dapat membuat prosesnya tidak dapat diandalkan. “Jika Anda ingin dapat membuat sistem yang bekerja pada skala industri, Anda harus dapat menjalankan berbagai hal dalam jangka waktu yang lama,” kata Varanasi, “dan Anda tidak perlu memiliki efek semacam ini yang mengurangi efisiensi atau keandalan proses.”

Tim mempelajari tiga bahan katalis yang berbeda, termasuk tembaga, dan “kami benar-benar fokus untuk memastikan bahwa kami memahami dan dapat mengukur efek penipisan,” kata Lake. Dalam prosesnya, mereka mampu mengembangkan cara sederhana dan andal untuk memantau efisiensi proses konversi yang terjadi, dengan mengukur tingkat pH yang berubah, ukuran keasaman, dalam elektrolit sistem.

Dalam pengujian mereka, mereka menggunakan alat analisis yang lebih canggih untuk mengkarakterisasi produk reaksi, termasuk kromatografi gas untuk analisis produk gas, dan karakterisasi resonansi magnetik nuklir untuk produk cair sistem. Tetapi analisis mereka menunjukkan bahwa pengukuran pH sederhana dari elektrolit di sebelah elektroda selama operasi dapat memberikan ukuran efisiensi reaksi yang memadai saat berlangsung.

Kemampuan untuk dengan mudah memantau reaksi secara real-time ini pada akhirnya dapat menghasilkan sistem yang dioptimalkan dengan metode pembelajaran mesin, mengendalikan laju produksi senyawa yang diinginkan melalui umpan balik terus menerus, kata Moreno Soto.

Sekarang prosesnya dipahami dan diukur, pendekatan lain untuk mengurangi penipisan karbon dioksida dapat dikembangkan, kata para peneliti, dan dapat dengan mudah diuji menggunakan metode mereka.

Pekerjaan ini menunjukkan, kata Lake, bahwa “tidak peduli apa bahan katalis Anda” dalam sistem elektrokatalitik seperti itu, “Anda akan terpengaruh oleh masalah ini.” Dan sekarang, dengan menggunakan model yang mereka kembangkan, dimungkinkan untuk menentukan dengan tepat jenis jendela waktu apa yang perlu dievaluasi untuk mendapatkan pemahaman yang akurat tentang efisiensi keseluruhan material dan jenis operasi sistem apa yang dapat memaksimalkan efektivitasnya.

Ditulis oleh David Chandler

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts



Posted By :
pengeluaran hk hari ini