Nature.com වෙත පිවිසීම ගැන ඔබට ස්තූතියි. ඔබ භාවිතා කරන බ්‍රව්සර් අනුවාදයේ සීමිත CSS සහාය ඇත. හොඳම ප්‍රතිඵල සඳහා, ඔබගේ බ්‍රව්සරයේ නවතම අනුවාදයක් භාවිතා කරන ලෙස අපි නිර්දේශ කරමු (නැතහොත් Internet Explorer හි අනුකූලතා ප්‍රකාරය අක්‍රීය කරන්න). මේ අතරතුර, අඛණ්ඩ සහාය සහතික කිරීම සඳහා, අපි මෝස්තරයක් හෝ JavaScript නොමැතිව අඩවිය ප්‍රදර්ශනය කරන්නෙමු.
කාබන් ඩයොක්සයිඩ් ෆෝමික් අම්ලයට විද්‍යුත් රසායනිකව අඩු කිරීම කාබන් ඩයොක්සයිඩ් භාවිතය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා පොරොන්දු වූ ක්‍රමයක් වන අතර හයිඩ්‍රජන් ගබඩා මාධ්‍යයක් ලෙස විභව යෙදීම් ඇත. මෙම කාර්යයේදී, කාබන් ඩයොක්සයිඩ් වලින් ෆෝමික් අම්ලය සෘජු විද්‍යුත් රසායනික සංස්ලේෂණය සඳහා ශුන්‍ය-පරතර පටල ඉලෙක්ට්‍රෝඩ එකලස් කිරීමේ ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයක් සංවර්ධනය කර ඇත. ප්‍රධාන තාක්ෂණික දියුණුවක් වන්නේ සිදුරු සහිත කැටායන හුවමාරු පටලයයි, එය ඉදිරි නැඹුරු ද්විධ්‍රැවීය පටල වින්‍යාසයක භාවිතා කරන විට, පටල අතුරුමුහුණතෙහි සාදන ලද ෆෝමික් අම්ලය 0.25 M තරම් අඩු සාන්ද්‍රණයකින් ඇනෝඩ ප්‍රවාහ ක්ෂේත්‍රය හරහා විස්ථාපනය කිරීමට ඉඩ සලසයි. ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය අතර අතිරේක සැන්ඩ්විච් සංරචක නොමැතිව සංකල්පය අරමුණු කරන්නේ ඉන්ධන සෛල සහ හයිඩ්‍රජන් විද්‍යුත් විච්ඡේදනයෙහි බහුලව දක්නට ලැබෙන පවතින බැටරි ද්‍රව්‍ය සහ මෝස්තර උත්තේජනය කිරීම, පරිමාණය ඉහළ නැංවීමට සහ වාණිජකරණයට වේගවත් සංක්‍රමණයකට ඉඩ සැලසීමයි. 25 cm2 සෛලයක, සිදුරු සහිත කැටායන හුවමාරු පටල වින්‍යාසය <2 V සහ 300 mA/cm2 හි ෆෝමික් අම්ලය සඳහා >75% ෆැරඩේ කාර්යක්ෂමතාව සපයයි. වඩාත් වැදගත් දෙය නම්, 200 mA/cm2 හි පැය 55 ක ස්ථායීතා පරීක්ෂණයකින් ස්ථාවර ෆැරඩේ කාර්යක්ෂමතාව සහ සෛල වෝල්ටීයතාවය පෙන්නුම් කරන ලදී. වත්මන් ෆෝමික් අම්ල නිෂ්පාදන ක්‍රම සමඟ පිරිවැය සමානාත්මතාවය ලබා ගැනීමේ ක්‍රම නිරූපණය කිරීම සඳහා තාක්ෂණික-ආර්ථික විශ්ලේෂණයක් භාවිතා කරයි.
පුනර්ජනනීය විදුලිය භාවිතයෙන් කාබන් ඩයොක්සයිඩ් ෆෝමික් අම්ලයට විද්‍යුත් රසායනිකව අඩු කිරීම සාම්ප්‍රදායික පොසිල ඉන්ධන පාදක ක්‍රම හා සසඳන විට නිෂ්පාදන පිරිවැය 75%1 දක්වා අඩු කරන බව පෙන්වා දී ඇත. සාහිත්‍යයේ දක්වා ඇති පරිදි2,3, ෆෝමික් අම්ලයට රසායනික කර්මාන්තය සඳහා පෝෂක තොගයකට හයිඩ්‍රජන් ගබඩා කිරීම සහ ප්‍රවාහනය කිරීමේ කාර්යක්ෂම හා ආර්ථිකමය මාධ්‍යයක සිට4,5 හෝ ජෛව ස්කන්ධ කර්මාන්තය6 දක්වා පුළුල් පරාසයක යෙදුම් ඇත. පරිවෘත්තීය ඉංජිනේරු විද්‍යාව භාවිතයෙන් තිරසාර ජෙට් ඉන්ධන අතරමැදි බවට පසුව පරිවර්තනය කිරීම සඳහා පෝෂක තොගයක් ලෙස පවා ෆෝමික් අම්ලය හඳුනාගෙන ඇත7,8. ෆෝමික් අම්ල ආර්ථික විද්‍යාවේ වර්ධනයත් සමඟ1,9, පර්යේෂණ කටයුතු කිහිපයක් උත්ප්‍රේරක තේරීම ප්‍රශස්ත කිරීම කෙරෙහි අවධානය යොමු කර ඇත10,11,12,13,14,15,16. කෙසේ වෙතත්, බොහෝ උත්සාහයන් අඩු ධාරා ඝනත්වයකින් (<50 mA/cm2) ක්‍රියාත්මක වන කුඩා H-සෛල හෝ ද්‍රව ප්‍රවාහ සෛල කෙරෙහි අවධානය යොමු කිරීමට දිගටම උත්සාහ කරයි. පිරිවැය අඩු කිරීමට, වාණිජකරණය සාක්ෂාත් කර ගැනීමට සහ පසුව වෙළඳපල විනිවිද යාම වැඩි කිරීමට, විද්‍යුත් රසායනික කාබන් ඩයොක්සයිඩ් අඩු කිරීම (CO2R) ඉහළ ධාරා ඝනත්වයන් (≥200 mA/cm2) සහ ෆැරඩේ කාර්යක්ෂමතාව (FE)17 හි සිදු කළ යුතු අතර ද්‍රව්‍ය භාවිතය උපරිම කරන අතර තාක්‍ෂණයෙන් බැටරි සංරචක භාවිතා කළ යුතුය. ඉන්ධන සෛල සහ ජල විද්‍යුත් විච්ඡේදනය CO2R උපාංගවලට පරිමාණයේ ආර්ථිකයන්ගෙන් ප්‍රයෝජන ගැනීමට ඉඩ සලසයි18. ඊට අමතරව, නිෂ්පාදනයේ උපයෝගීතාව වැඩි කිරීමට සහ අතිරේක පහළ සැකසුම් වළක්වා ගැනීමට, ෆෝමේට් ලවණ19 වෙනුවට ෆෝමික් අම්ලය අවසාන නිෂ්පාදනය ලෙස භාවිතා කළ යුතුය.
මෙම දිශාවට, කාර්මික වශයෙන් අදාළ CO2R ආකෘති/ෆෝමික් අම්ල පාදක වායු විසරණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (GDE) උපාංග සංවර්ධනය කිරීමට මෑත කාලීන උත්සාහයන් ගෙන ඇත. ෆර්නැන්ඩස්-කාසෝ සහ තවත් අය විසින් කරන ලද පුළුල් සමාලෝචනයක්.20 ෆෝමික් අම්ලය/ෆෝමේට් බවට CO2 අඛණ්ඩව අඩු කිරීම සඳහා සියලුම විද්‍යුත් රසායනික සෛල වින්‍යාසයන් සාරාංශ කරයි. සාමාන්‍යයෙන්, පවතින සියලුම වින්‍යාසයන් ප්‍රධාන කාණ්ඩ තුනකට බෙදිය හැකිය: 1. ප්‍රවාහ-හරහා කැතෝලයිට්19,21,22,23,24,25,26,27, 2. තනි පටලය (කැටායන හුවමාරු පටලය (CEM)28 හෝ ඇනායන හුවමාරු පටලය (AEM)29 සහ 3. සැන්ඩ්විච් වින්‍යාසය15,30,31,32. මෙම වින්‍යාසවල සරල කළ හරස්කඩ රූපය 1a හි දක්වා ඇත. කැතෝලයිට් ප්‍රවාහ වින්‍යාසය සඳහා, පටලය සහ GDE හි කැතෝඩය අතර ඉලෙක්ට්‍රෝලය කුටියක් නිර්මාණය වේ. ප්‍රවාහ-හරහා කැතෝලයිට් උත්ප්‍රේරකයේ කැතෝඩ ස්ථරයේ අයන නාලිකා නිර්මාණය කිරීමට භාවිතා කරයි33, නමුත් එහි ආකෘති තේරීම පාලනය කිරීමේ අවශ්‍යතාවය විවාදයට ලක්ව ඇත34. කෙසේ වෙතත්, මෙම වින්‍යාසය චෙන් සහ වෙනත් අය විසින් භාවිතා කරන ලදී. 1.27 mm ඝන කැතෝලයිට් තට්ටුවක් සහිත කාබන් උපස්ථරයක් මත SnO2 කැතෝඩයක් භාවිතා කරමින්, 500 mA/cm2 හිදී 90% FE 35 දක්වා. ඝනකමක සංයෝජනය කැතෝලයිට් ස්ථරයක් සහ අයන හුවමාරුව සීමා කරන ප්‍රතිලෝම-පක්ෂග්‍රාහී ද්විධ්‍රැව පටලයක් (BPM) 6 V ක මෙහෙයුම් වෝල්ටීයතාවයක් සහ 15% ක ශක්ති කාර්යක්ෂමතාවයක් සපයයි. බලශක්ති කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා, Li et al., තනි CEM වින්‍යාසයක් භාවිතා කරමින්, 51.7 mA/cm2 භාගික ධාරා ඝනත්වයකදී 93.3% ක FE 29 ක් ලබා ගත්තේය. Diaz-Sainz et al.28 45 mA/cm2 ධාරා ඝනත්වයකදී තනි CEM පටලයක් සහිත පෙරහන් මුද්‍රණ යන්ත්‍රයක් භාවිතා කළේය. කෙසේ වෙතත්, සියලුම ක්‍රම මගින් කැමති නිෂ්පාදනයක් වන ෆෝමික් අම්ලය වෙනුවට ෆෝමේට් නිපදවන ලදී. අතිරේක සැකසුම් අවශ්‍යතා වලට අමතරව, CEM වින්‍යාසයන්හිදී, KCOOH වැනි ආකෘති GDE සහ ප්‍රවාහ ක්ෂේත්‍රයේ ඉක්මනින් එකතු විය හැකි අතර, එමඟින් ප්‍රවාහන සීමාවන් සහ අවසානයේ සෛල අසාර්ථකත්වය ඇති වේ.
මෙම අධ්‍යයනයේ යෝජනා කර ඇති ෆෝමේට්/ෆෝමික් අම්ල පරිවර්තන උපාංග වින්‍යාසයන් සහ ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය සමඟ වඩාත් කැපී පෙනෙන CO2R තුන සංසන්දනය කිරීම. b කැතෝලයිට් වින්‍යාසයන්, සැන්ඩ්විච් වින්‍යාසයන්, සාහිත්‍යයේ තනි CEM වින්‍යාසයන් (අතිරේක වගුව S1 හි පෙන්වා ඇත) සහ අපගේ කාර්යය සඳහා මුළු ධාරාව සහ ෆෝමේට්/ෆෝමික් අම්ල අස්වැන්න සංසන්දනය කිරීම. විවෘත ලකුණු මඟින් ෆෝමේට් ද්‍රාවණය නිෂ්පාදනය කරන අතර ඝන ලකුණු මඟින් ෆෝමික් අම්ලය නිෂ්පාදනය කරන බව දක්වයි. *ඇනෝඩයේ හයිඩ්‍රජන් භාවිතයෙන් පෙන්වන වින්‍යාසය. c ඉදිරි නැඹුරු මාදිලියේ ක්‍රියාත්මක වන සිදුරු සහිත කැටායන හුවමාරු ස්ථරයක් සහිත සංයුක්ත ද්විධ්‍රැව පටලයක් භාවිතා කරමින් ශුන්‍ය-පරතර MEA වින්‍යාසය.
ආකෘති සෑදීම වැළැක්වීම සඳහා, Proietto et al. 32 විසින් deionized ජලය අන්තර් ස්ථරය හරහා ගලා යන බෙදීම් රහිත පෙරහන් මුද්‍රණ වින්‍යාසයක් භාවිතා කරන ලදී. පද්ධතියට 50–80 mA/cm2 වත්මන් ඝනත්ව පරාසය තුළ >70% CE ලබා ගත හැකිය. ඒ හා සමානව, Yang et al. 14 ෆෝමික් අම්ලය සෑදීම ප්‍රවර්ධනය කිරීම සඳහා CEM සහ AEM අතර ඝන ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් අන්තර් ස්ථරයක් භාවිතා කිරීම යෝජනා කළේය. Yang et al.31,36 200 mA/cm2 හි 5 cm2 සෛලයක 91.3% FE ලබා ගත් අතර, 6.35 wt% ෆෝමික් අම්ල ද්‍රාවණයක් නිපදවීය. Xia et al. සමාන වින්‍යාසයක් භාවිතා කරමින්, 200 mA/cm2 හි කාබන් ඩයොක්සයිඩ් (CO2) ෆෝමික් අම්ලය FE බවට 83% පරිවර්තනයක් ලබා ගත් අතර, පද්ධතියේ කල්පැවැත්ම පැය 100 විනාඩි 30 ක් සඳහා පරීක්ෂා කරන ලදී. කුඩා පරිමාණයේ ප්‍රතිඵල පොරොන්දු වුවද, සිදුරු සහිත අයන හුවමාරු දුම්මලවල වැඩිවන පිරිවැය සහ සංකීර්ණත්වය අන්තර් ස්ථර වින්‍යාසයන් විශාල පද්ධතිවලට පරිමාණය කිරීම දුෂ්කර කරයි (උදා: 1000 cm2).
විවිධ සැලසුම්වල ශුද්ධ බලපෑම දෘශ්‍යමාන කිරීම සඳහා, අපි කලින් සඳහන් කළ සියලුම පද්ධති සඳහා kWh එකකට ආකෘති/ෆෝමික් අම්ල නිෂ්පාදනය වගුගත කර ඒවා රූපය 1b හි සටහන් කළෙමු. කැතෝලයිට් හෝ අන්තර් ස්ථරයක් අඩංගු ඕනෑම පද්ධතියක් අඩු ධාරා ඝනත්වයන්හිදී එහි ක්‍රියාකාරිත්වය උපරිමයට පත් කරන අතර ඉහළ ධාරා ඝනත්වයන්හිදී පිරිහෙන බව මෙහිදී පැහැදිලිය, එහිදී ඕමික් සීමාව සෛල වෝල්ටීයතාවය තීරණය කළ හැකිය. එපමණක් නොව, බලශක්ති කාර්යක්ෂම CEM වින්‍යාසය kWh එකකට ඉහළම මවුලික ෆෝමික් අම්ල නිෂ්පාදනය සපයන නමුත්, ලුණු ගොඩනැගීම ඉහළ ධාරා ඝනත්වයන්හිදී වේගවත් කාර්ය සාධන පිරිහීමට හේතු විය හැක.
කලින් සාකච්ඡා කළ අසාර්ථක මාදිලි අවම කිරීම සඳහා, සිදුරු සහිත කැටායන හුවමාරු පටලයක් (PCEM) සහිත සංයුක්ත ඉදිරි නැඹුරු BPM අඩංගු පටල ඉලෙක්ට්‍රෝඩ එකලස් කිරීමක් (MEA) අපි සංවර්ධනය කළෙමු. ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය රූපය 1c හි දක්වා ඇත. හයිඩ්‍රජන් ඔක්සිකරණ ප්‍රතික්‍රියාවක් (HOR) හරහා ප්‍රෝටෝන ජනනය කිරීම සඳහා හයිඩ්‍රජන් (H2) ඇනෝඩයට හඳුන්වා දෙනු ලැබේ. කැතෝඩයේ ජනනය වන ආකෘති අයන AEM හරහා ගමන් කිරීමට, ප්‍රෝටෝන සමඟ ඒකාබද්ධ වී BPM අතුරුමුහුණත සහ CEM හි අන්තර් අන්තරාල සිදුරු වලදී ෆෝමික් අම්ලය සෑදීමට සහ පසුව GDE ඇනෝඩය සහ ප්‍රවාහ ක්ෂේත්‍රය හරහා පිටවීමට ඉඩ සලසන PCEM ස්ථරයක් BPM පද්ධතියට හඳුන්වා දෙනු ලැබේ. මෙම වින්‍යාසය භාවිතා කරමින්, අපි <2 V හි ෆෝමික් අම්ලයේ >75% FE සහ 25 cm2 සෛල ප්‍රදේශයක් සඳහා 300 mA/cm2 ලබා ගත්තෙමු. වඩාත්ම වැදගත් දෙය නම්, සැලසුම ඉන්ධන සෛල සහ ජල විද්‍යුත් විච්ඡේදක කම්හල් සඳහා වාණිජමය වශයෙන් ලබා ගත හැකි සංරචක සහ දෘඩාංග ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය භාවිතා කරන අතර එමඟින් පරිමාණය කිරීමට වේගවත් කාලයක් ලබා ගත හැකිය. කැතෝලයිට් වින්‍යාසයන්හි කැතෝලයිට් ප්‍රවාහ කුටි අඩංගු වන අතර එමඟින් වායුව සහ ද්‍රව අවධි අතර පීඩන අසමතුලිතතාවයක් ඇති කළ හැකිය, විශේෂයෙන් විශාල සෛල වින්‍යාසයන්හිදී. සිදුරු සහිත තරල ප්‍රවාහ ස්ථර සහිත සැන්ඩ්විච් ව්‍යුහයන් සඳහා, අතරමැදි ස්ථරය තුළ පීඩන පහත වැටීම සහ කාබන් ඩයොක්සයිඩ් සමුච්චය වීම අඩු කිරීම සඳහා සිදුරු සහිත අතරමැදි ස්ථරය ප්‍රශස්ත කිරීමට සැලකිය යුතු උත්සාහයක් අවශ්‍ය වේ. මේ දෙකම සෛලීය සන්නිවේදනයේ බාධා ඇති කළ හැකිය. මහා පරිමාණයෙන් නිදහස්ව පවතින තුනී සිදුරු සහිත ස්ථර නිෂ්පාදනය කිරීම ද දුෂ්කර ය. ඊට වෙනස්ව, යෝජිත නව වින්‍යාසය ප්‍රවාහ කුටියක් හෝ අතරමැදි ස්ථරයක් අඩංගු නොවන ශුන්‍ය-පරතර MEA වින්‍යාසයකි. පවතින අනෙකුත් විද්‍යුත් රසායනික සෛල හා සසඳන විට, යෝජිත වින්‍යාසය අද්විතීය වන්නේ එය පරිමාණය කළ හැකි, බලශක්ති-කාර්යක්ෂම, ශුන්‍ය-පරතර වින්‍යාසයක ෆෝමික් අම්ලය සෘජුවම සංස්ලේෂණය කිරීමට ඉඩ සලසන බැවිනි.
හයිඩ්‍රජන් පරිණාමය මැඩපැවැත්වීම සඳහා, මහා පරිමාණ CO2 අඩු කිරීමේ උත්සාහයන් මගින් කැතෝඩයේ ක්ෂාරීය තත්වයන් නිර්මාණය කිරීම සඳහා ඉහළ මවුලික සාන්ද්‍රණ ඉලෙක්ට්‍රෝටයිට් (උදා: 1-10 M KOH) සමඟ ඒකාබද්ධව MEA සහ AEM පටල වින්‍යාසයන් භාවිතා කර ඇත (රූපය 2a හි පෙන්වා ඇති පරිදි). ​​මෙම වින්‍යාසයන්හිදී, කැතෝඩයේ සාදන ලද ආකෘති අයන සෘණ ආරෝපිත විශේෂ ලෙස පටලය හරහා ගමන් කරයි, පසුව KCOOH සෑදී ඇනෝඩික් KOH ප්‍රවාහය හරහා පද්ධතියෙන් පිටවෙයි. රූපය 2b හි පෙන්වා ඇති පරිදි ආකෘති FE සහ සෛල වෝල්ටීයතාවය මුලින් වාසිදායක වුවද, ස්ථායිතා පරීක්ෂණයේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස පැය 10 ක් තුළ FE හි ආසන්න වශයෙන් 30% ක අඩුවීමක් සිදුවිය (රූපය S1a-c). ක්ෂාරීය ඔක්සිජන් පරිණාම ප්‍රතික්‍රියා (OER) පද්ධතිවල ඇනෝඩික් අධි වෝල්ටීයතාවය අවම කිරීම සඳහා සහ කැතෝඩ උත්ප්‍රේරක ඇඳ තුළ අයන ප්‍රවේශ්‍යතාව ලබා ගැනීම සඳහා 1 M KOH ඇනොලයිට් භාවිතය ඉතා වැදගත් බව සැලකිල්ලට ගත යුතුය37 සහ කැතෝඩ උත්ප්‍රේරක ඇඳ තුළ අයන ප්‍රවේශ්‍යතාව ලබා ගැනීම33. ඇනොලයිට් සාන්ද්‍රණය 0.1 M KOH දක්වා අඩු කළ විට, සෛල වෝල්ටීයතාවය සහ ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය (ෆෝමික් අම්ලය නැතිවීම) යන දෙකම වැඩි වේ (රූපය S1d), ශුන්‍ය-ඓක්‍ය හුවමාරුවක් නිරූපණය කරයි. සමස්ත ස්කන්ධ ශේෂය භාවිතයෙන් ෆෝමැට් ඔක්සිකරණයේ මට්ටම තක්සේරු කරන ලදී; වැඩි විස්තර සඳහා, "ක්‍රම" කොටස බලන්න. MEA සහ තනි CEM පටල වින්‍යාසයන් භාවිතා කරන කාර්ය සාධනය ද අධ්‍යයනය කරන ලද අතර, ප්‍රතිඵල රූපය S1f,g හි දක්වා ඇත. පරීක්ෂණය ආරම්භයේදී කැතෝඩයෙන් එකතු කරන ලද FE ආකෘතිය 200 mA/cm2 ට >60% ක් වූ නමුත් කලින් සාකච්ඡා කළ කැතෝඩ ලුණු සමුච්චය වීම හේතුවෙන් පැය දෙකක් ඇතුළත වේගයෙන් පිරිහී ගියේය (රූපය S11).
කැතෝඩයේ CO2R සහිත ශුන්‍ය-පරතර MEA, ඇනෝඩයේ හයිඩ්‍රජන් ඔක්සිකරණ ප්‍රතික්‍රියාව (HOR) හෝ OER සහ ඒ අතර එක් AEM පටලයක ක්‍රමලේඛනය. b ඇනෝඩයේ ගලා යන 1 M KOH සහ OER සහිත මෙම වින්‍යාසය සඳහා FE සහ සෛල වෝල්ටීයතාවය. දෝෂ තීරු විවිධ මිනුම් තුනක සම්මත අපගමනය නියෝජනය කරයි. ඇනෝඩයේ H2 සහ HOR සහිත FE සහ පද්ධති සෛල වෝල්ටීයතාවයේ. ආකෘති සහ ෆෝමික් අම්ල නිෂ්පාදනය වෙන්කර හඳුනා ගැනීමට විවිධ වර්ණ භාවිතා කරයි. d BPM මැදින් ඉදිරියට මාරු කරන ලද MEA හි ක්‍රමානුකූල රූප සටහන. මෙම වින්‍යාසය භාවිතා කරමින් 200 mA/cm2 හි කාලයට සාපේක්ෂව FE සහ බැටරි වෝල්ටීයතාවය. කෙටි පරීක්ෂණයකින් පසු ඉදිරි-පක්ෂග්‍රාහී BPM MEA හි හරස්කඩ රූපය.
ෆෝමික් අම්ලය නිපදවීම සඳහා, ඇනෝඩයේ Pt-on-කාබන් (Pt/C) උත්ප්‍රේරකයකට හයිඩ්‍රජන් සපයනු ලැබේ. රූපය 2d හි පෙන්වා ඇති පරිදි, ෆෝමික් අම්ල නිෂ්පාදනය ලබා ගැනීම සඳහා ඇනෝඩයේ ඉදිරි-පක්ෂග්‍රාහී BPM ජනනය කරන ප්‍රෝටෝන කලින් විමර්ශනය කර ඇත. 200 mA/cm2 ධාරාවකින් මිනිත්තු 40 ක ක්‍රියාකාරිත්වයකින් පසු BPM සුසර කිරීමේ ඒකකය අසාර්ථක වූ අතර, 5 V ට වැඩි වෝල්ටීයතා වැඩිවීමක් සමඟ (රූපය 2e). පරීක්ෂා කිරීමෙන් පසු, CEM/AEM අතුරුමුහුණතේදී පැහැදිලි විභේදනයක් නිරීක්ෂණය විය. ෆෝමේට් වලට අමතරව, කාබනේට්, බයිකාබනේට් සහ හයිඩ්‍රොක්සයිඩ් වැනි ඇනායන ද AEM පටලය හරහා ගමන් කර CEM/AEM අතුරුමුහුණතේදී ප්‍රෝටෝන සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කර CO2 වායුව සහ ද්‍රව ජලය නිපදවිය හැකි අතර, එය BPM විභේදනයට (රූපය 2f) සහ අවසානයේ සෛල අසාර්ථක වීමට හේතු වේ.
ඉහත වින්‍යාසයේ කාර්ය සාධනය සහ අසාර්ථක යාන්ත්‍රණයන් මත පදනම්ව, රූපය 1c හි පෙන්වා ඇති පරිදි සහ රූපය 3a38 හි විස්තර කර ඇති පරිදි නව MEA ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයක් යෝජනා කෙරේ. මෙහිදී, PCEM ස්ථරය CEM/AEM අතුරුමුහුණතෙන් ෆෝමික් අම්ලය සහ ඇනායන සංක්‍රමණය සඳහා මාර්ගයක් සපයන අතර එමඟින් ද්‍රව්‍යයේ සමුච්චය අඩු කරයි. ඒ සමඟම, PCEM අතරමැදි මාර්ගය ෆෝමික් අම්ලය විසරණ මාධ්‍යයට සහ ප්‍රවාහ ක්ෂේත්‍රයට යොමු කරයි, ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය වීමේ හැකියාව අඩු කරයි. 80, 40 සහ 25 mm ඝණකම සහිත AEM භාවිතා කරමින් ධ්‍රැවීකරණ ප්‍රතිඵල රූපය 3b හි දක්වා ඇත. අපේක්ෂා කළ පරිදි, AEM ඝණකම වැඩි වීමත් සමඟ සමස්ත සෛල වෝල්ටීයතාවය වැඩි වුවද, ඝන AEM භාවිතා කිරීමෙන් ෆෝමික් අම්ලයේ පසුපස විසරණය වළක්වයි, එමඟින් කැතෝඩ pH අගය වැඩි වන අතර H2 නිෂ්පාදනය අඩු වේ (රූපය 3c-e).
AEM සහ සිදුරු සහිත CEM සහ විවිධ ෆෝමික් අම්ල ප්‍රවාහන මාර්ග සහිත MEA ව්‍යුහයේ නිදර්ශනයක්. b විවිධ ධාරා ඝනත්වයන් සහ විවිධ AEM ඝනත්වයන්හි සෛල වෝල්ටීයතාවය. 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm AEM ඝණකම සහිත විවිධ ධාරා ඝනත්වයන්හි EE හි. දෝෂ තීරු වෙනම සාම්පල තුනකින් මනින ලද සම්මත අපගමනය නියෝජනය කරයි. f විවිධ AEM ඝණකම සහිත CEM/AEM අතුරුමුහුණතෙහි ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණය සහ pH අගයෙහි සමාකරණ ප්‍රතිඵල. විවිධ AEM පටල ඝණකම සහිත උත්ප්‍රේරකයේ කැතෝඩ ස්ථරයේ f PC සහ pH අගය. g CEM/AEM අතුරුමුහුණත සහ සිදුරු සහිත ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණයේ ද්විමාන ව්‍යාප්තිය.
රූපය S2 හි පොයිසන්-නර්න්ස්ට්-ප්ලාන්ක් පරිමිත මූලද්‍රව්‍ය ආකෘති නිර්මාණය භාවිතයෙන් MEA ඝණකම හරහා ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණය සහ pH අගය බෙදා හැරීම පෙන්වයි. මෙම අතුරුමුහුණතෙහි ෆෝමික් අම්ලය සෑදෙන බැවින්, CEM/AEM අතුරුමුහුණතෙහි ෆෝමික් අම්ලයේ ඉහළම සාන්ද්‍රණය වන 0.23 mol/L නිරීක්ෂණය කිරීම පුදුමයක් නොවේ. AEM හි ඝණකම වැඩි වන විට AEM හරහා ෆෝමික් අම්ලයේ සාන්ද්‍රණය වේගයෙන් අඩු වන අතර, ස්කන්ධ හුවමාරුවට වැඩි ප්‍රතිරෝධයක් සහ පසුපස විසරණය හේතුවෙන් අඩු ෆෝමික් අම්ල ප්‍රවාහයක් පෙන්නුම් කරයි. රූප 3 f සහ g මගින් පසුපස විසරණය සහ ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණයේ ද්විමාන ව්‍යාප්තිය නිසා ඇතිවන කැතෝඩ උත්ප්‍රේරක ඇඳෙහි pH අගය සහ ෆෝමික් අම්ල අගයන් පිළිවෙලින් පෙන්වයි. AEM පටලය තුනී වන තරමට, කැතෝඩය අසල ෆෝමික් අම්ලයේ සාන්ද්‍රණය වැඩි වන අතර, කැතෝඩයේ pH අගය ආම්ලික වේ. එබැවින්, ඝන AEM පටල වැඩි ඕමික් පාඩු ඇති කළද, ඒවා කැතෝඩයට ෆෝමික් අම්ලයේ පසුපස විසරණය වැළැක්වීමට සහ FE ෆෝමික් අම්ල පද්ධතියේ ඉහළ සංශුද්ධතාවය උපරිම කිරීමට ඉතා වැදගත් වේ. අවසාන වශයෙන්, AEM ඝණකම 80 μm දක්වා වැඩි කිරීමෙන් 2 V දී ෆෝමික් අම්ලය සඳහා FE >75% සහ 25 cm2 සෛල ප්‍රදේශයක් සඳහා 300 mA/cm2 ලබා ගැනීමට හැකි විය.
මෙම PECM-පාදක ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයේ ස්ථායිතාව පරීක්ෂා කිරීම සඳහා, බැටරි ධාරාව පැය 55ක් සඳහා 200 mA/cm2 හි පවත්වා ගන්නා ලදී. සමස්ත ප්‍රතිඵල රූපය 4 හි දක්වා ඇති අතර, පළමු පැය 3 හි ප්‍රතිඵල රූපය S3 හි ඉස්මතු කර ඇත. Pt/C ඇනෝඩික් උත්ප්‍රේරකය භාවිතා කරන විට, සෛල වෝල්ටීයතාවය පළමු මිනිත්තු 30 තුළ තියුනු ලෙස වැඩි විය (රූපය S3a). දිගු කාලයක් පුරා, සෛල වෝල්ටීයතාවය පාහේ නියතව පැවති අතර, 0.6 mV/h ක පිරිහීමේ අනුපාතයක් සපයයි (රූපය 4a). පරීක්ෂණය ආරම්භයේදී, ඇනෝඩයේ එකතු කරන ලද ෆෝමික් අම්ලයේ PV 76.5% ක් වූ අතර කැතෝඩයේ එකතු කරන ලද හයිඩ්‍රජන් PV 19.2% ක් විය. පරීක්ෂණයේ පළමු පැයෙන් පසු, හයිඩ්‍රජන් FE 13.8% දක්වා පහත වැටුණු අතර, එය වැඩිදියුණු කළ ආකෘති තේරීම පෙන්නුම් කරයි. කෙසේ වෙතත්, පද්ධතිය තුළ ෆෝමික් අම්ලයේ ඔක්සිකරණ අනුපාතය පැය 1 ක් තුළ 62.7% දක්වා පහත වැටුණු අතර, ඇනෝඩික් ෆෝමික් අම්ලයේ ඔක්සිකරණ අනුපාතය පරීක්ෂණය ආරම්භයේදී ශුන්‍යයට ආසන්නව සිට 17.0% දක්වා වැඩි විය. පසුව, අත්හදා බැලීම අතරතුර H2, CO, ෆෝමික් අම්ලයේ FE සහ ෆෝමික් අම්ලයේ ඇනෝඩික් ඔක්සිකරණ අනුපාතය ස්ථායීව පැවතුනි. පළමු පැය තුළ ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය වැඩිවීම PCEM/AEM අතුරුමුහුණතෙහි ෆෝමික් අම්ලය සමුච්චය වීම නිසා විය හැකිය. ෆෝමික් අම්ලයේ සාන්ද්‍රණය වැඩි වන විට, එය පටලයේ සිදුරු හරහා පිටවීම පමණක් නොව, FEM හරහාම විසරණය වී Pt/C ඇනෝඩ ස්ථරයට ඇතුළු වේ. ෆෝමික් අම්ලය 60°C දී ද්‍රවයක් බැවින්, එහි සමුච්චය ස්කන්ධ හුවමාරු ගැටළු ඇති කළ හැකි අතර හයිඩ්‍රජන් වලට වඩා මනාප ඔක්සිකරණයට හේතු විය හැක.
a සෛල වෝල්ටීයතාවයට සාපේක්ෂව කාලය (200 mA/cm2, 60 °C). ඇතුල් කිරීම සිදුරු සහිත EM එකක් සහිත MEA හි හරස්කඩක දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂ රූපයක් පෙන්වයි. පරිමාණ තීරුව: 300 µm. b Pt/C ඇනෝඩයක් භාවිතා කරමින් 200 mA/cm2 හි කාලයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස PE සහ ෆෝමික් අම්ලයේ සංශුද්ධතාවය.
සකස් කිරීමේදී පරීක්ෂණ ආරම්භයේදී (BOT) සහ ස්ථායිතා පරීක්ෂණයෙන් පැය 55 කට පසු පරීක්ෂණ අවසානයේ (EOT) සාම්පලවල රූප විද්‍යාව නැනෝ-එක්ස්-කිරණ පරිගණක ටොමොග්‍රැෆි (නැනෝ-CT) භාවිතයෙන් සංලක්ෂිත කරන ලදී, රූපය 5 a හි පෙන්වා ඇති පරිදි. EOT සාම්පලයට BOT සඳහා 930 nm ට සාපේක්ෂව 1207 nm විෂ්කම්භයක් සහිත විශාල උත්ප්‍රේරක අංශු ප්‍රමාණයක් ඇත. ඉහළ කෝණ වළයාකාර අඳුරු-ක්ෂේත්‍ර ස්කෑනිං සම්ප්‍රේෂණ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂය (HAADF-STEM) රූප සහ ශක්ති-විසරණ X-කිරණ වර්ණාවලීක්ෂය (EDS) ප්‍රතිඵල රූපය 5b හි දක්වා ඇත. BOT උත්ප්‍රේරක ස්ථරයේ කුඩා උත්ප්‍රේරක අංශු බොහොමයක් මෙන්ම සමහර විශාල ඇග්ලොමරේට් අඩංගු වන අතර, EOT අවධියේදී උත්ප්‍රේරක ස්ථරය වෙනස් කලාප දෙකකට බෙදිය හැකිය: එකක් සැලකිය යුතු ලෙස විශාල ඝන අංශු සහිත වන අතර අනෙක වඩාත් සිදුරු සහිත කලාප සහිත වේ. කුඩා අංශු ගණන. EDS රූපයෙන් පෙන්නුම් කරන්නේ විශාල ඝන අංශු Bi, සමහරවිට ලෝහමය Bi වලින් පොහොසත් වන අතර සිදුරු සහිත කලාප ඔක්සිජන් වලින් පොහොසත් බවයි. සෛලය 200 mA/cm2 ට ක්‍රියාත්මක වන විට, කැතෝඩයේ සෘණ විභවය Bi2O3 අඩු කිරීමට හේතු වන බව පහත සාකච්ඡා කර ඇති ස්ථානීය එක්ස් කිරණ අවශෝෂණ වර්ණාවලීක්ෂ ප්‍රතිඵල මගින් සනාථ වේ. HAADF-STEM සහ EDS සිතියම්කරණ ප්‍රතිඵලවලින් පෙනී යන්නේ Bi2O3 අඩු කිරීමේ ක්‍රියාවලියකට භාජනය වන බවත්, එමඟින් ඒවා ඔක්සිජන් නැති වී විශාල ලෝහ අංශු බවට එකතු වන බවත්ය. BOT සහ EOT කැතෝඩවල එක්ස් කිරණ විවර්තන රටා EDS දත්තවල අර්ථ නිරූපණය සනාථ කරයි (රූපය 5c): BOT කැතෝඩයේ ස්ඵටිකරූපී Bi2O3 පමණක් අනාවරණය වූ අතර, EOT කැතෝඩයේ ස්ඵටිකරූපී ද්විලෝහය හමු විය. Bi2O3 කැතෝඩ උත්ප්‍රේරකයේ ඔක්සිකරණ තත්ත්වයට කැතෝඩ විභවයේ බලපෑම තේරුම් ගැනීම සඳහා, උෂ්ණත්වය විවෘත පරිපථ විභවය (+0.3 V vs RHE) සිට -1.5 V (RHE vs) දක්වා වෙනස් විය. Bi2O3 අවධිය RHE ට සාපේක්ෂව -0.85 V හිදී අඩු වීමට පටන් ගන්නා බව නිරීක්ෂණය වන අතර, වර්ණාවලියේ දාර කලාපයේ සුදු රේඛාවේ තීව්‍රතාවයේ අඩුවීමක් පෙන්නුම් කරන්නේ ලෝහමය Bi -1.1 හිදී RHE හි 90% දක්වා අඩු වී ඇති බවයි. RHE ට එරෙහිව V (රූපය 5d). යාන්ත්‍රණය කුමක් වුවත්, කැතෝඩ රූප විද්‍යාව, උත්ප්‍රේරක ඔක්සිකරණ තත්ත්වය සහ ක්ෂුද්‍ර ස්ඵටික ව්‍යුහයේ සැලකිය යුතු වෙනස්කම් තිබියදීත්, H2 සහ CO FE සහ ෆෝමික් අම්ල සෑදීමෙන් අනුමාන කරන පරිදි, කැතෝඩයේ ආකෘතිකරණයේ සමස්ත තේරීම අත්‍යවශ්‍යයෙන්ම නොවෙනස්ව පවතී.
නැනෝ-එක්ස් කිරණ CT භාවිතයෙන් ලබාගත් උත්ප්‍රේරක ස්ථරයේ ත්‍රිමාණ ව්‍යුහය සහ උත්ප්‍රේරක අංශු ව්‍යාප්තිය. පරිමාණ තීරුව: 10 µm. b ඉහළම 2: BOT සහ EOT උත්ප්‍රේරකවල කැතෝඩ ස්ථරවල HAADF-STEM රූප. පරිමාණ තීරුව: 1 µm. පහළ 2: EOT උත්ප්‍රේරකයේ කැතෝඩ ස්ථරයේ විශාල කරන ලද HADF-STEM සහ EDX රූප. පරිමාණ තීරුව: 100 nm. c BOT සහ EOT කැතෝඩ සාම්පලවල එක්ස් කිරණ විවර්තන රටා. d විභවයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස 0.1 M KOH හි Bi2O3 ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ස්ථානීය එක්ස් කිරණ අවශෝෂණ වර්ණාවලිය (0.8 V සිට -1.5 V එදිරිව RHE).
ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය වැළැක්වීම මගින් බලශක්ති කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා ඇති අවස්ථා හරියටම තීරණය කිරීම සඳහා, වෝල්ටීයතා අලාභයේ දායකත්වය හඳුනා ගැනීම සඳහා H2 යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් භාවිතා කරන ලදී39. 500 mA/cm2 ට අඩු ධාරා ඝනත්වයන්හිදී, කැතෝඩ විභවය -1.25 V ට වඩා අඩු මට්ටමක පවතී. ඇනෝඩ විභවය ප්‍රධාන කොටස් දෙකකට බෙදා ඇත: හුවමාරු ධාරා ඝනත්වය HOR සහ කලින් මනින ලද බල්ටර්-වෝල්මර් සමීකරණය මගින් පුරෝකථනය කරන ලද න්‍යායාත්මක අධි වෝල්ටීයතාව HOR 40, සහ ඉතිරි කොටස ඔක්සිකරණ ෆෝමික් අම්ලය නිසා වේ. HOR41 හා සසඳන විට ඉතා මන්දගාමී ප්‍රතික්‍රියා චාලක විද්‍යාව හේතුවෙන්, ඇනෝඩයේ ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණ ප්‍රතික්‍රියාවේ කුඩා අනුපාතය ඇනෝඩ විභවයේ සැලකිය යුතු වැඩි වීමක් ඇති කළ හැකිය. ෆෝමික් අම්ල ඇනෝඩ ඔක්සිකරණය සම්පූර්ණයෙන් නිෂේධනය කිරීමෙන් 500 mV පමණ අධි වෝල්ටීයතාවයක් ඉවත් කළ හැකි බව ප්‍රතිඵලවලින් පෙනී යයි.
මෙම ඇස්තමේන්තුව පරීක්ෂා කිරීම සඳහා, අපජල ෆෝමික් අම්ලයේ සාන්ද්‍රණය අඩු කිරීම සඳහා ඇනෝඩ ඇතුල්වීමේදී අයනීකරණය වූ ජලයේ (DI) ප්‍රවාහ අනුපාතය වෙනස් කරන ලදී. 6b සහ c රූප මගින් 200 mA/cm2 හි ඇනෝඩයේ DI ප්‍රවාහයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස FE, ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණය සහ සෛල වෝල්ටීයතාවය පෙන්වයි. අයනීකරණය වූ ජල ප්‍රවාහ අනුපාතය 3.3 mL/min සිට 25 mL/min දක්වා වැඩි වූ විට, ඇනෝඩයේ ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණය 0.27 mol/L සිට 0.08 mol/L දක්වා අඩු විය. සාපේක්ෂව, Xia et al. 30 විසින් යෝජනා කරන ලද සැන්ඩ්විච් ව්‍යුහය භාවිතා කරමින් 200 mA/cm2 හි 1.8 mol/L ක ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණයක් ලබා ගන්නා ලදී. සාන්ද්‍රණය අඩු කිරීමෙන් ෆෝමික් අම්ලයේ සමස්ත FE වැඩි දියුණු වන අතර ෆෝමික් අම්ලයේ පසුපස විසරණය අඩු වීම නිසා කැතෝඩ pH අගය වඩාත් ක්ෂාරීය වන බැවින් H2 හි FE අඩු කරයි. උපරිම DI ප්‍රවාහයේදී අඩු වූ ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණය ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය ද පාහේ ඉවත් කළ අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස 200 mA/cm2 හි මුළු සෛල වෝල්ටීයතාවය 1.7 V ට වඩා අඩු විය. බැටරි උෂ්ණත්වය සමස්ත ක්‍රියාකාරිත්වයට ද බලපාන අතර, ප්‍රතිඵල රූපය S10 හි දක්වා ඇත. කෙසේ වෙතත්, PCEM මත පදනම් වූ ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයට ෆෝමික් අම්ලය දෙසට වැඩි දියුණු කළ හයිඩ්‍රජන් තේරීමක් සහිත ඇනෝඩික් උත්ප්‍රේරක භාවිතා කිරීමෙන් හෝ උපාංග ක්‍රියාකාරිත්වය හරහා ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය වැළැක්වීමේ බලශක්ති කාර්යක්ෂමතාව සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැකිය.
a 60 °C, Pt/C ඇනෝඩය සහ 80 µm AEM හි ක්‍රියාත්මක වන සෛල යොමු H2 ඉලෙක්ට්‍රෝඩය භාවිතා කරමින් සෛල වෝල්ටීයතා බිඳවැටීම. b ඇනෝඩික් අයනීකරණය කළ ජලයේ විවිධ ප්‍රවාහ අනුපාත භාවිතා කරමින් 200 mA/cm2 හි එකතු කරන ලද FE සහ ෆෝමික් අම්ල සාන්ද්‍රණයන්. c ඇනෝඩය විවිධ සාන්ද්‍රණයන්ගෙන් ෆෝමික් අම්ලය එකතු කරන විට, සෛල වෝල්ටීයතාවය 200 mA/cm2 වේ. දෝෂ තීරු විවිධ මිනුම් තුනක සම්මත අපගමනය නියෝජනය කරයි. d ඇමරිකානු ඩොලර් 0.068/kWh සහ ඇමරිකානු ඩොලර් 4.5/kg හයිඩ්‍රජන් ජාතික කාර්මික සාමාන්‍ය විදුලි මිල ගණන් භාවිතා කරමින් විවිධ අයනීකරණය කළ ජල ප්‍රවාහ අනුපාතවල කාර්ය සාධනය මගින් බිඳ දැමූ අවම විකුණුම් මිල. (*: ඇනෝඩයේ ෆෝමික් අම්ලයේ අවම ඔක්සිකරණ තත්ත්වය 10 MFA ලෙස උපකල්පනය කෙරේ, ජාතික සාමාන්‍ය කාර්මික විදුලි මිල $0.068/kWh වන අතර හයිඩ්‍රජන් $4.5/kg වේ. **: අවම ඔක්සිකරණ තත්ත්වය ෆෝමික් අම්ලය ලෙස උපකල්පනය කෙරේ. ඇනෝඩයේ FA සාන්ද්‍රණය 1.3 M ඇනෝඩය වන අතර, අපේක්ෂිත අනාගත විදුලි මිල $0.03/kWh වන අතර, තිත් රේඛාව 85 wt% FA වෙළඳපල මිල නියෝජනය කරයි.
රූපය 5d හි දැක්වෙන පරිදි, මෙහෙයුම් තත්වයන් පරාසයක් යටතේ ඉන්ධන එකලස් කිරීම්වල අවම විකුණුම් මිල ලබා ගැනීම සඳහා තාක්ෂණික-ආර්ථික විශ්ලේෂණයක් (TEA) පවත්වන ලදී. TEA සඳහා ක්‍රම සහ පසුබිම් දත්ත SI හි සොයාගත හැකිය. ඉහළ සෛල වෝල්ටීයතාවයක් තිබියදීත්, ඇනෝඩ පිටාරයේ LC සාන්ද්‍රණය වැඩි වූ විට, වෙන් කිරීමේ පිරිවැය අඩු වීම හේතුවෙන් ඉන්ධන එකලස් කිරීමේ සමස්ත පිරිවැය අඩු වේ. උත්ප්‍රේරක සංවර්ධනය හෝ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ තාක්ෂණය හරහා ෆෝමික් අම්ලයේ ඇනෝඩික් ඔක්සිකරණය අවම කළ හැකි නම්, අඩු සෛල වෝල්ටීයතාව (1.66 V) සහ අපජලයේ ඉහළ FA සාන්ද්‍රණය (10 M) සංයෝජනය කිරීමෙන් විද්‍යුත් රසායනික FA නිෂ්පාදනයේ පිරිවැය 0.74 US ඩොලර්/kg (විදුලිය මත පදනම්ව) $0.068/kWh සහ $4.5/kg හයිඩ්‍රජන්42 දක්වා අඩු වේ. තවද, පුනර්ජනනීය විදුලිය සඳහා වන ප්‍රක්ෂේපිත අනාගත පිරිවැය ඩොලර් 0.03/kWh සහ හයිඩ්‍රජන් ඩොලර් 2.3/kg සමඟ ඒකාබද්ධ කළ විට, FA අපජල ඉලක්කය මිලියන 1.3 දක්වා අඩු වන අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස අවසාන ප්‍රක්ෂේපිත නිෂ්පාදන පිරිවැය ඇමරිකානු ඩොලර් 0.66/kg43 වේ. මෙය වත්මන් වෙළඳපල මිල ගණන් හා සැසඳිය හැකිය. මේ අනුව, ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ද්‍රව්‍ය සහ ව්‍යුහයන් කෙරෙහි අවධානය යොමු කරන අනාගත උත්සාහයන් මඟින් ඉහළ LC සාන්ද්‍රණයන් නිපදවීමට අඩු සෛල වෝල්ටීයතාවයන්හිදී ක්‍රියා කිරීමට ඉඩ සලසන අතරම ඇනෝඩීකරණය තවදුරටත් අඩු කළ හැකිය.
සාරාංශයක් ලෙස, අපි ෆෝමික් අම්ලයට CO2 අඩු කිරීම සඳහා ශුන්‍ය-පරතර MEA ව්‍යුහයන් කිහිපයක් අධ්‍යයනය කර ඇති අතර එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස ෆෝමික් අම්ලය සඳහා පටල ස්කන්ධ හුවමාරු අතුරුමුහුණත පහසු කිරීම සඳහා සිදුරු සහිත කැටායන හුවමාරු පටලයක් (PECM) ඇතුළුව සංයුක්ත ඉදිරි-පක්ෂග්‍රාහී ද්විධ්‍රැව පටලයක් අඩංගු ව්‍යුහයක් යෝජනා කර ඇත. මෙම වින්‍යාසය 0.25 M දක්වා සාන්ද්‍රණයකදී (3.3 mL/min ඇනෝඩ DI ප්‍රවාහ අනුපාතයකදී) >96% ෆෝමික් අම්ලය ජනනය කරයි. ඉහළ DI ප්‍රවාහ අනුපාතවලදී (25 mL/min), මෙම වින්‍යාසය 25 cm2 සෛල ප්‍රදේශයක් භාවිතා කරමින් 1.7 V හිදී 200 mA/cm2 හි >80% FE ධාරා ඝනත්වයක් ලබා දුන්නේය. මධ්‍යස්ථ ඇනෝඩික් DI අනුපාතවලදී (10 mL/min), PECM වින්‍යාසය 200 mA/cm2 හි පැය 55 ක පරීක්ෂණ සඳහා ස්ථාවර වෝල්ටීයතාවයක් සහ ඉහළ ෆෝමික් අම්ල FE මට්ටම් පවත්වා ගෙන ගියේය. වාණිජමය වශයෙන් ලබා ගත හැකි උත්ප්‍රේරක සහ බහු අවයවික පටල ද්‍රව්‍ය මගින් ලබා ගන්නා ඉහළ ස්ථායිතාව සහ තේරීම ප්‍රශස්ත විද්‍යුත් උත්ප්‍රේරක සමඟ ඒකාබද්ධ කිරීමෙන් තවදුරටත් වැඩි දියුණු කළ හැකිය. ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය අඩු කිරීම සඳහා මෙහෙයුම් තත්ත්වයන්, ඇනෝඩ උත්ප්‍රේරක තේරීම සහ MEA ව්‍යුහය සකස් කිරීම කෙරෙහි පසුකාලීන කාර්යයන් අවධානය යොමු කරනු ඇති අතර එමඟින් අඩු සෛල වෝල්ටීයතාවයන්හිදී වඩාත් සාන්ද්‍රිත අපජලයක් ඇති වේ. මෙහි ඉදිරිපත් කර ඇති ෆෝමික් අම්ලය සඳහා කාබන් ඩයොක්සයිඩ් භාවිතා කිරීමේ සරල ප්‍රවේශය ඇනොලයිට් සහ කැතොලයිට් කුටි, සැන්ඩ්විච් සංරචක සහ විශේෂිත ද්‍රව්‍ය සඳහා අවශ්‍යතාවය ඉවත් කරයි, එමඟින් සෛල ශක්ති කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කරන අතර පද්ධති සංකීර්ණතාව අඩු කරයි, එමඟින් පරිමාණය වැඩි කිරීම පහසු කරයි. යෝජිත වින්‍යාසය තාක්ෂණිකව සහ ආර්ථික වශයෙන් ශක්‍ය CO2 පරිවර්තන කම්හල්වල අනාගත සංවර්ධනය සඳහා වේදිකාවක් සපයයි.
වෙනත් ආකාරයකින් දක්වා නොමැති නම්, සියලුම රසායනික ශ්‍රේණියේ ද්‍රව්‍ය සහ ද්‍රාවක ලැබුණු පරිදි භාවිතා කරන ලදී. බිස්මට් ඔක්සයිඩ් උත්ප්‍රේරකය (Bi2O3, 80 nm) US Research Nanomaterials, Inc. වෙතින් මිලදී ගන්නා ලදී. පොලිමර් කුඩු (AP1-CNN8-00-X) IONOMR විසින් සපයන ලදී. Omnisolv® සන්නාමය N-propanol (nPA) සහ අල්ට්‍රාපියුර් ජලය (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 ජල පිරිපහදු පද්ධතිය) මිලිපෝර් සිග්මා වෙතින් මිලදී ගන්නා ලදී. ACS සහතික කළ මෙතනෝල් සහ ඇසිටෝන් පිළිවෙලින් VWR Chemicals BDH® සහ Fisher Chemical වෙතින් මිලදී ගනු ලැබේ. 6.5 wt.% සාන්ද්‍රණයක් සහිත පොලිමර් විසරණයක් ලබා ගැනීම සඳහා පොලිමර් කුඩු බරින් 1:1 අනුපාතයකින් ඇසිටෝන් සහ මෙතනෝල් මිශ්‍රණයක් සමඟ මිශ්‍ර කරන ලදී. 30ml භාජනයක 20g Bi2O3, අල්ට්‍රාපියුර් ජලය, nPA සහ අයනමර් විසරණය මිශ්‍ර කිරීමෙන් උත්ප්‍රේරක තීන්ත සකස් කරන්න. සංයුතියේ 30 wt.% උත්ප්‍රේරකයක්, අයනෝමර් සිට උත්ප්‍රේරකය දක්වා ස්කන්ධ අනුපාතය 0.02 ක් සහ ඇල්කොහොල් සිට ජලය දක්වා ස්කන්ධ අනුපාතය 2:3 (40 wt.% nPA) අඩංගු විය. මිශ්‍ර කිරීමට පෙර, ග්ලෙන් මිල්ස් 5mm සර්කෝනියා ඇඹරුම් ද්‍රව්‍ය ග්‍රෑම් 70 ක් මිශ්‍රණයට එකතු කරන ලදී. සාම්පල පැය 26 ක් සඳහා 80 rpm හි Fisherbrand™ ඩිජිටල් බෝතල් රෝලරයක් මත තබා ඇත. යෙදීමට පෙර තීන්ත විනාඩි 20 ක් සිටීමට ඉඩ දෙන්න. 22°C දී 1/2″ x 16″ රසායනාගාර වයර්වුන්ඩ් නැවත පිරවීමක් (RD Specialties - 60 mil විෂ්කම්භය) භාවිතා කරමින් Qualtech ස්වයංක්‍රීය අයදුම්කරුවෙකුට (QPI-AFA6800) Bi2O3 තීන්ත යොදන ලදී. 55 mm/sec ස්ථාවර සාමාන්‍ය වේගයකින් දණ්ඩ තැන්පත් කිරීම මගින් 7.5 x 8 අඟල් Sigraacet 39 BB කාබන් වායු විසරණ වාහකයකට (ඉන්ධන සෛල ගබඩා කිරීම) මිලි ලීටර් 5 ක් යොදන ලදී. මෙම ආලේපිත ඉලෙක්ට්‍රෝඩ උඳුනකට මාරු කර 80 °C දී වියළන්න. GDE ආලේපනයේ දණ්ඩ ආලේපන ක්‍රියාවලිය සහ රූප S4a සහ b රූපවල දක්වා ඇත. X-ray fluorescence (XRF) උපකරණයක් (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) මගින් ආලේපිත GDE පැටවීම 3.0 mg Bi2O3/cm2 බව තහවුරු කරන ලදී.
ඇනායන හුවමාරු පටලය (AEM) සහ සිදුරු සහිත CEM අඩංගු සංයුක්ත පටල වින්‍යාසයන් සඳහා. නාමික ඝණකම 15 µm සහිත Nafion NC700 (Chemours, USA) CEM ස්ථරය ලෙස භාවිතා කරන ලදී. ඇනෝඩ උත්ප්‍රේරකය 0.83 අයනෝමර් සිට කාබන් අනුපාතය සහ 25 cm2 ආවරණ ප්‍රදේශයක් සහිත FEM මතට කෙලින්ම ඉසින ලදී. 0.25 mg Pt/cm2 පැටවීමක් සහිත විශාල මතුපිට ප්‍රදේශයක් (50 wt.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA වටිනා ලෝහය) සහිත ආධාරක ප්ලැටිනම් ඇනෝඩ උත්ප්‍රේරකය ලෙස භාවිතා කරන ලදී. Nafion D2020 (අයන බලය, USA) උත්ප්‍රේරකයේ ඇනෝඩ ස්ථරය සඳහා අයනෝමරයක් ලෙස භාවිතා කරන ලදී. CEM සිදුරු කිරීම සිදු කරනු ලබන්නේ 3mm පරතරයකින් CEM පටලය මත සමාන්තර රේඛා කැපීමෙනි. සිදුරු කිරීමේ ක්‍රියාවලිය පිළිබඳ විස්තර රූප S12b සහ c හි දක්වා ඇත. X-කිරණ පරිගණක ටොමොග්‍රැෆි භාවිතයෙන්, සිදුරු පරතරය 32.6 μm බව තහවුරු කරන ලදී, රූපය S12d සහ e හි පෙන්වා ඇති පරිදි. සෛල එකලස් කිරීමේදී, උත්ප්‍රේරක-ආලේපිත සිදුරු සහිත CEM පටලයක් 25 cm2 ටොරේ කඩදාසියක් මත තබා ඇත (5 wt% PTFE ප්‍රතිකාර, ඉන්ධන සෛල ගබඩාව, ඇමරිකා එක්සත් ජනපදය). 25, 40 හෝ 80 μm ඝණකම සහිත AEM පටලයක් (PiperION, Versogen, USA) CEM මත තබා පසුව GDE කැතෝඩය මත තබා ඇත. AEM පටලය සම්පූර්ණ ප්‍රවාහ ක්ෂේත්‍රය ආවරණය කිරීම සඳහා 7.5 × 7.5 cm කැබලිවලට කපා එකලස් කිරීමට පෙර 1 M පොටෑසියම් හයිඩ්‍රොක්සයිඩ් ද්‍රාවණයක එක රැයකින් පොඟවා ඇත. ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය යන දෙකම 18% ක ප්‍රශස්ත GDE සම්පීඩනයක් ලබා ගැනීමට ප්‍රමාණවත් ඝනකම ඇති PTFE ස්පේසර් භාවිතා කරයි. බැටරි එකලස් කිරීමේ ක්‍රියාවලිය පිළිබඳ විස්තර රූපය S12a හි දක්වා ඇත.
පරීක්ෂා කිරීමේදී, එකලස් කරන ලද සෛලය 60 °C (උෂ්ණත්ව යැපුම් අධ්‍යයනයන් සඳහා 30, 60, සහ 80 °C) හි පවත්වා ගෙන යන ලද අතර, ඇනෝඩයට හයිඩ්‍රජන් වායුව 0.8 L/min සහ කැතෝඩයට කාබන් ඩයොක්සයිඩ් 2 L/min සපයන ලදී. ඇනෝඩ සහ කැතෝඩ වායු ප්‍රවාහ දෙකම 100% සාපේක්ෂ ආර්ද්‍රතාවයකින් සහ 259 kPa නිරපේක්ෂ කැතෝඩ පීඩනයකින් ආර්ද්‍ර කරන ලදී. ක්‍රියාත්මක වන අතරතුර, කැතෝඩ උත්ප්‍රේරක ඇඳ සහ අයනික සන්නායකතාවය ප්‍රවර්ධනය කිරීම සඳහා කැතෝඩ වායු ප්‍රවාහය 2 mL/min අනුපාතයකින් 1 M KOH ද්‍රාවණයක් සමඟ මිශ්‍ර කරන ලදී. ඇනෝඩයේ ෆෝමික් අම්ලය ඉවත් කිරීම සඳහා 10 ml/min අනුපාතයකින් ඩයෝනීකරණය කළ ජලය සමඟ ඇනෝඩ වායු ප්‍රවාහයක් මිශ්‍ර කරන්න. උපාංග ආදාන සහ ප්‍රතිදාන පිළිබඳ විස්තර රූපය S5 හි දක්වා ඇත. කැතෝඩ පිටාර වායුවේ CO2 අඩංගු වන අතර CO සහ H2 ජනනය කරයි. කන්ඩෙන්සරයක් හරහා ජල වාෂ්ප ඉවත් කරනු ලැබේ (2°C දී අඩු උෂ්ණත්ව තාපන හුවමාරුකාරකය). ඉතිරි වායුව වායු කාල විශ්ලේෂණය සඳහා එකතු කරනු ලැබේ. ඇනෝඩ ප්‍රවාහය ද කන්ඩෙන්සරයක් හරහා ගමන් කර ද්‍රවය වායුවෙන් වෙන් කරනු ඇත. අපජලය පිරිසිදු කුප්පිවල එකතු කර නිපදවන ෆෝමික් අම්ලය ප්‍රමාණනය කිරීම සඳහා ද්‍රව කාලමිතිය භාවිතයෙන් විශ්ලේෂණය කරනු ලැබේ. ගාමි පොටෙන්ටියෝස්ටැට් (යොමු අංකය 30K, ගැම්රි, ඇමරිකා එක්සත් ජනපදය) භාවිතයෙන් විද්‍යුත් රසායනික පරීක්ෂණ සිදු කරන ලදී. ධ්‍රැවීකරණ වක්‍රය මැනීමට පෙර, 2.5 mA/cm2 ස්කෑන් අනුපාතයක් සහිත රේඛීය වෝල්ටමිතිය භාවිතයෙන් 0 සිට 250 mA/cm2 දක්වා පරාසයක සෛලය 4 වතාවක් කන්ඩිෂන් කරන ලදී. කැතෝඩ වායුව සහ ඇනොලයිට් ද්‍රවය සාම්පල ලබා ගැනීමට පෙර සෛලය නිශ්චිත ධාරා ඝනත්වයක මිනිත්තු 4 ක් රඳවා තබා ගනිමින් ගැල්වනොස්ටැටික් මාදිලියේ ධ්‍රැවීකරණ වක්‍ර ලබා ගන්නා ලදී.
කැතෝඩය සහ ඇනෝඩික් විභවයන් වෙන් කිරීම සඳහා අපි MEA හි හයිඩ්‍රජන් යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් භාවිතා කරමු. යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ව්‍යුහය රූපය S6a හි දක්වා ඇත. MEA පටලය සහ යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩය සම්බන්ධ කිරීම සඳහා Nafion පටලයක් (Nafion 211, IonPower, USA) අයනික පාලමක් ලෙස භාවිතා කරන ලදී. Nafion තීරුවේ එක් කෙළවරක් 29BC කාබන් කඩදාසි (ඉන්ධන සෛල ගබඩාව, USA) මත ඉසින ලද 0.25 mg Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) පටවා ඇති 1 cm2 වායු විසරණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයකට (GDE) සම්බන්ධ කර ඇත. විශේෂ පොලිඑතර්තර්කෙටෝන් (PEEK) දෘඩාංග ගෑස් මුද්‍රා තැබීමට සහ GDE සහ Nafion තීරු අතර හොඳ සම්බන්ධතාවයක් සහතික කිරීමට සහ යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩය ඉන්ධන සෛල දෘඩාංගයට සම්බන්ධ කිරීමට භාවිතා කරයි. Nafion තීරුවේ අනෙක් කෙළවර CEM බැටරියේ නෙරා ඇති දාරයට සම්බන්ධ කර ඇත. රූපය S6b මඟින් MEA සමඟ ඒකාබද්ධ කරන ලද යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ හරස්කඩ පෙන්වයි.
පිටාර වායුව කන්ඩෙන්සර් සහ ගෑස්-ද්‍රව බෙදුම්කරු හරහා ගමන් කිරීමෙන් පසු, කැතෝඩයෙන් ගෑස් සාම්පල ලබා ගනී. එකතු කරන ලද වායුව 4900 මයික්‍රෝ GC (10 μm අණුක පෙරනයක්, Agilent) භාවිතයෙන් අවම වශයෙන් තුන් වතාවක් විශ්ලේෂණය කරන ලදී. සාම්පල නිශ්චිත කාලයක් (තත්පර 30) සඳහා නිෂ්ක්‍රීය බහු-ස්ථර ඇලුමිනියම් තීරු වායු සාම්පල බෑග්වල Supel™ (Sigma-Aldrich) එකතු කරන ලද අතර එකතු කිරීමෙන් පැය දෙකක් ඇතුළත ක්ෂුද්‍ර වායු වර්ණදේහයට අතින් ඇතුල් කරන ලදී. එන්නත් උෂ්ණත්වය 110°C ලෙස සකසා ඇත. කාබන් මොනොක්සයිඩ් (CO) සහ හයිඩ්‍රජන් (H2) රත් වූ (105°C) පීඩනයට ලක් වූ (28 psi) 10 m MS5A තීරුවක් මත ආගන් (මැතේසන් ගෑස්-මැතේසන් සංශුද්ධතාවය) වාහක වායුව ලෙස භාවිතා කර වෙන් කරන ලදී. මෙම සම්බන්ධතා බිල්ට්-ඉන් තාප සන්නායකතා අනාවරකය (TCD) භාවිතයෙන් අනාවරණය වේ. GC වර්ණදේහ සහ CO සහ H2 ක්‍රමාංකන වක්‍ර රූපය S7 හි දක්වා ඇත. ද්‍රව ෆෝමික් අම්ල සාම්පල නිශ්චිත කාලයක් (තත්පර 120) සඳහා ඇනෝඩයෙන් එකතු කර 0.22 μm PTFE සිරින්ජ පෙරහනක් භාවිතයෙන් මිලි ලීටර් 2 කුප්පි වලට පෙරන ලදී. කුප්පි වල ඇති ද්‍රව නිෂ්පාදන Agilent 1260 Infinity II bioinert ඉහළ කාර්යසාධනයක් සහිත ද්‍රව වර්ණදේහ (HPLC) පද්ධතියක් භාවිතයෙන් විශ්ලේෂණය කරන ලද අතර, එයට සාම්පල 20 μl ස්වයංක්‍රීය සාම්පලයක් (G5668A) හරහා 4 mM සල්ෆියුරික් අම්ලය (H2SO4) ජංගම අවධියක් සමඟ 0.6 ml/min (ක්වාටර්නරි පොම්පය G5654A) ප්‍රවාහ අනුපාතයකින් එන්නත් කරන ලදී. නිෂ්පාදන රත් වූ (35°C, තීරු උඳුනක් G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7.8 mm (Bio-Rad) මත වෙන් කරන ලදී, ඊට පෙර ක්ෂුද්‍ර-ආරක්ෂක කැටියන් H ආරක්ෂක තීරුවක් ඇත. ඩයෝඩ අරා අනාවරකයක් (DAD) භාවිතයෙන් ෆෝමික් අම්ලය අනාවරණය විය. 210 nm තරංග ආයාමයකින් සහ 4 nm කලාප පළලකින්. HPL වර්ණදේහය සහ ෆෝමික් අම්ල සම්මත ක්‍රමාංකන වක්‍රය රූපය S7 හි දක්වා ඇත.
වායු නිෂ්පාදන (CO සහ H2) FE පහත සමීකරණය භාවිතයෙන් ගණනය කරනු ලබන අතර, පරිපූර්ණ වායු සමීකරණය භාවිතයෙන් වායුවේ මුළු මවුල ගණනය කරනු ලැබේ:
ඒවා අතර: \({n}_{i}\): විද්‍යුත් රසායනික ප්‍රතික්‍රියාවක ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන. \(F\): ෆැරඩේ නියතය. \({C}_{i}\): HPLC ද්‍රව නිෂ්පාදන සාන්ද්‍රණය. \(V\): ස්ථාවර කාලයක් තුළ එකතු කරන ලද ද්‍රව සාම්පලයේ පරිමාව t. \(j\): ධාරා ඝනත්වය. \(A\): ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ජ්‍යාමිතික ප්‍රදේශය (25 cm2). \(t\): නියැදි කාල සීමාව. \(P\): නිරපේක්ෂ පීඩනය. \({x}_{i}\): GC මගින් තීරණය කරන ලද වායුවේ මවුල ප්‍රතිශතය. \(R\): වායු නියතය. \(T\): උෂ්ණත්වය.
ප්‍රේරක ලෙස සම්බන්ධිත ප්ලාස්මා පරමාණුක විමෝචන වර්ණාවලීක්ෂය (ICP-OES) භාවිතයෙන් ඇනෝඩික් කැටායනවල සාන්ද්‍රණය ප්‍රමාණනය කරන ලදී. ඇනෝඩයට කාන්දු විය හැකි හෝ විසරණය විය හැකි කැටායන අතර Ti, Pt, Bi සහ K ඇතුළත් වේ. K හැරුණු විට, අනෙකුත් සියලුම කැටායන හඳුනාගැනීමේ සීමාවට වඩා අඩු විය. ද්‍රාවණය තුළ අයන සාදයි, ඇනෝඩය ප්‍රෝටෝන හෝ වෙනත් කැටායන සමඟ යුගල කිරීමට ඉඩ සලසයි. එබැවින්, ෆෝමික් අම්ලයේ සංශුද්ධතාවය ගණනය කළ හැක්කේ
ආකෘති/FA නිෂ්පාදනය යනු නිශ්චිත MEA වින්‍යාසයක් භාවිතා කරමින් පරිභෝජනය කරන ලද kWh විදුලියකට නිපදවන FA ප්‍රමාණය mol/kWh වලින් නිරූපණය කරයි. එය ගණනය කරනු ලබන්නේ නිශ්චිත මෙහෙයුම් තත්වයන් යටතේ වත්මන් ඝනත්වය, සෛල වෝල්ටීයතාවය සහ ෆැරඩේ කාර්යක්ෂමතාව මත ය.
සමස්ත ස්කන්ධ සමතුලිතතාවය මත පදනම්ව ඇනෝඩයේ ඔක්සිකරණය වූ ෆෝමික් අම්ලයේ ප්‍රමාණය ගණනය කරන්න. කැතෝඩයේ තරඟකාරී ප්‍රතික්‍රියා තුනක් සිදු වේ: හයිඩ්‍රජන් පරිණාමය, CO2 CO බවට අඩු කිරීම සහ CO2 ෆෝමික් අම්ලය බවට අඩු කිරීම. ඇන්ටන්හි ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණ ක්‍රියාවලිය අපට ඇති බැවින්, ෆෝමික් අම්ලය FE කොටස් දෙකකට බෙදිය හැකිය: ෆෝමික් අම්ල එකතු කිරීම සහ ෆෝමික් අම්ල ඔක්සිකරණය. සමස්ත ස්කන්ධ සමතුලිතතාවය මෙසේ ලිවිය හැකිය:
HPLC මගින් එකතු කරන ලද ෆෝමික් අම්ලය, හයිඩ්‍රජන් සහ CO ප්‍රමාණයන් ප්‍රමාණනය කිරීම සඳහා අපි GC භාවිතා කළෙමු. අතිරේක රූප සටහන S5 හි පෙන්වා ඇති සැකසුම භාවිතා කරමින් ෆෝමික් අම්ලයෙන් වැඩි ප්‍රමාණයක් ඇනෝඩයෙන් එකතු කරන ලද බව සැලකිල්ලට ගත යුතුය. කැතෝඩ කුටියෙන් එකතු කරන ලද ෆෝමේට් ප්‍රමාණය නොසැලකිය යුතු අතර, විශාලත්වයේ අනුපිළිවෙලවල් දෙකක් පමණ අඩු වන අතර මුළු SC ප්‍රමාණයෙන් 0.5% ට වඩා අඩුය.
මෙහි භාවිතා කරන අඛණ්ඩ ප්‍රවාහන ආකෘතිය සමාන පද්ධති පිළිබඳ පෙර කාර්යයන් මත පදනම් වේ34. ඉලෙක්ට්‍රොනිකව සහ අයනිකව සන්නායක වන අදියරවල ජල සාන්ද්‍රණය සහ විද්‍යුත් ස්ථිතික විභවය තීරණය කිරීම සඳහා පොයිසන්-නර්ස්ට්-ප්ලාන්ක් (PNP) සමීකරණවල සම්බන්ධිත පද්ධතියක් භාවිතා කරයි. යටින් පවතින සමීකරණ සහ ආකෘති ජ්‍යාමිතිය පිළිබඳ සවිස්තරාත්මක දළ විශ්ලේෂණයක් SI හි දක්වා ඇත.
මෙම පද්ධතිය ජලීය ද්‍රව්‍ය අටක සාන්ද්‍රණය තීරණය කරයි (\({{{{{\rm{C}}}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2 \left ({{{{{\rm{aq}}}}}}}}\right)}\), \({{{{{\rm{H}}}}}}}^{+ } ), \ ({{{{\rm{O}}}}}}}}{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{{{{{\rm{HCO}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{\rm{HCOOH}}}}}}}}}}}}}}}}}}}^{- }) සහ \({{{{\rm{K}}}}}^{+}\)), අයනික සන්නායක අවධියේ (\({\phi }_{I}})) සහ ඇනෝඩ සහ කැතෝඩ ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්නායකතාවය) විද්‍යුත් ස්ථිතික විභවය. අදියරවල (\({\phi }_{A}\) සහ \({\phi }_{C}\) විද්‍යුත් ස්ථිතික විභවයන් පිළිවෙලින්). ඒ වෙනුවට, දේශීය විද්‍යුත් උදාසීනත්වය හෝ ආරෝපණ බෙදා හැරීමේ ශ්‍රිත සාක්ෂාත් කර නොගනී, අවකාශ ආරෝපණ කලාපය පොයිසන්ගේ සමීකරණය භාවිතයෙන් කෙලින්ම විසඳනු ලැබේ; මෙම ප්‍රවේශය අපට CEM|AEM, CEM|Pore, සහ AEM|Pore අතුරුමුහුණත් වලදී ඩොනන් විකර්ෂණ බලපෑම් සෘජුවම ආකෘතිගත කිරීමට ඉඩ සලසයි. ඊට අමතරව, උත්ප්‍රේරකයේ ඇනෝඩ සහ කැතෝඩ ස්ථරවල ආරෝපණ ප්‍රවාහනය විස්තර කිරීමට සිදුරු සහිත ඉලෙක්ට්‍රෝඩ න්‍යාය (PET) භාවිතා කරයි. කතුවරුන්ගේ දැනුමට අනුව, මෙම කෘතිය බහු අවකාශ ආරෝපණ කලාප සහිත පද්ධතිවල PET හි පළමු යෙදුම නියෝජනය කරයි.
8.0 keV X-ray ප්‍රභවයක්, අවශෝෂණය සහ පුළුල් ක්ෂේත්‍ර මාතයන් සහ රූප විලයනය සහිත Zeiss Xradia 800 Ultra භාවිතයෙන් GDE BOT සහ EOT කැතෝඩ සාම්පල පරීක්ෂා කරන ලදී. තත්පර 50 ක නිරාවරණ කාලයක් සහිතව -90° සිට 90° දක්වා රූප 901 ක් එකතු කරන ලදී. 64 nm වොක්සල් ප්‍රමාණයකින් යුත් පසුපස ප්‍රක්ෂේපණ පෙරහනක් භාවිතයෙන් ප්‍රතිසංස්කරණය සිදු කරන ලදී. විශේෂයෙන් ලියා ඇති කේතය භාවිතයෙන් ඛණ්ඩනය සහ අංශු ප්‍රමාණයේ ව්‍යාප්තිය විශ්ලේෂණය කරන ලදී.
ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂීය ලක්ෂණකරණයට දියමන්ති පිහියක් භාවිතයෙන් අතිශය තුනී කොටස් කිරීම සඳහා සූදානම් වීම සඳහා පරීක්ෂණ MEAs ඉෙපොක්සි ෙරසින් තුළට කාවැද්දීම ඇතුළත් වේ. එක් එක් MEA හි හරස්කඩ 50 සිට 75 nm දක්වා ඝනකමකට කපා ඇත. සම්ප්‍රේෂණ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂය (STEM) සහ ශක්ති-විසරණ X-කිරණ වර්ණාවලීක්ෂය (EDS) මිනුම් පරිලෝකනය කිරීම සඳහා Talos F200X සම්ප්‍රේෂණ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂයක් (තාප ෆිෂර් විද්‍යාත්මක) භාවිතා කරන ලදී. අන්වීක්ෂය කවුළු රහිත SDD අනාවරක 4 ක් සහිත EDS Super-X පද්ධතියකින් සමන්විත වන අතර 200 kV හිදී ක්‍රියා කරයි.
40 kV සහ 40 mA හිදී ක්‍රියාත්මක වන Ni-පෙරහන් කළ Cu Kα විකිරණ සහිත Bruker Advance D8 කුඩු X-ray විවර්තන මාපකයක් මත කුඩු එක්ස් කිරණ විවර්තන රටා (PXRD) ලබා ගන්නා ලදී. ස්කෑන් කිරීමේ පරාසය 10° සිට 60° දක්වා වන අතර, පියවර ප්‍රමාණය 0.005° වන අතර, දත්ත ලබා ගැනීමේ වේගය පියවරකට තත්පර 1 කි.
Bi2O3 Bi L3 උත්ප්‍රේරකයේ කෙළවරේ ඇති RAS වර්ණාවලිය, ගෙදර හැදූ සෛලයක් භාවිතයෙන් විභවයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස මනිනු ලැබීය. Bi2O3 උත්ප්‍රේරක අයනෝමර් තීන්ත 26.1 mg Bi2O3 156.3 μL අයනෝමර් ද්‍රාවණය (6.68%) සමඟ මිශ්‍ර කර 1 M KOH, ජලය (157 μL) සහ අයිසොප්‍රොපයිල් මධ්‍යසාර (104 μL) සමඟ උදාසීන කර අයනෝමර් තීන්ත ලබා ගන්නා ලදී. උත්ප්‍රේරක සංගුණකය 0.4 කි. Bi2O3 උත්ප්‍රේරක පැටවීම 0.5 mg/cm2 දක්වා ළඟා වන තෙක් තීන්ත සෘජුකෝණාස්රාකාර ලප (10×4 mm) තුළ ග්‍රැෆීන් තහඩු වලට යොදන ලදී. මෙම ප්‍රදේශ විද්‍යුත් විච්ඡේදනයෙන් හුදකලා කිරීම සඳහා ග්‍රැෆීන් පත්රයේ ඉතිරි කොටස Kapton සමඟ ආලේප කර ඇත. උත්ප්‍රේරක-ආලේපිත ග්‍රැෆීන් පත්රය PTFE දෙකක් අතරට ඇතුළු කර සෛල ශරීරයට (PEEK) ඉස්කුරුප්පු වලින් සුරක්ෂිත කරන ලදී, රූපය S8. Hg/HgO (1 M NaOH) යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩය ලෙස සේවය කළ අතර කාබන් කඩදාසි කවුන්ටර් ඉලෙක්ට්‍රෝඩය ලෙස සේවය කළේය. මනින ලද සියලුම විභවයන් ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි හයිඩ්‍රජන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (RHE) පරිමාණයකට පරිවර්තනය කිරීම සඳහා හයිඩ්‍රජන්-සංතෘප්ත 0.1 M KOH හි ගිල්වන ලද ප්ලැටිනම් වයර් භාවිතයෙන් Hg/HgO යොමු ඉලෙක්ට්‍රෝඩය ක්‍රමාංකනය කරන ලදී. 0.1 M KOH හි ගිල්වා 30 °C දක්වා රත් කරන ලද Bi2O3/ග්‍රැෆීන් තහඩු ක්‍රියාකාරී ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක විභවය නිරීක්ෂණය කිරීමෙන් XRD වර්ණාවලි ලබා ගන්නා ලදී. බුබුලු සෑදෙන විට ඉලෙක්ට්‍රෝලය උත්ප්‍රේරක ස්ථරයට සම්බන්ධ වන බව සහතික කිරීම සඳහා සෛලයේ පතුලේ ඉලෙක්ට්‍රෝලය ඇතුල්වීම සහ ඉහළින් පිටවීම සමඟ ඉලෙක්ට්‍රෝලය බැටරිය තුළ සංසරණය වේ. වැඩ කරන ඉලෙක්ට්‍රෝඩ විභවය පාලනය කිරීම සඳහා CH උපකරණ 760e පොටෙන්ටියෝස්ටැට් භාවිතා කරන ලදී. විභව අනුපිළිවෙල විවෘත පරිපථ විභවයක් විය: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 සහ +700 mV RHE මත පදනම්ව. සියලුම iR විභවයන් සකස් කර ඇත.
ද්වි L3 දාරය (ද්විත්ව ලෝහ සඳහා ~13424 eV) එක්ස් කිරණ අවශෝෂණ සියුම් ව්‍යුහය (XAFS) වර්ණාවලීක්ෂය, ආර්ගොන් ජාතික ප්‍රතිදීප්ත රසායනාගාරයේ, උසස් ෆෝටෝන ප්‍රභවය (APS), නාලිකා 10-ID මත සිදු කරන ලදී. ජාතික ආකෘති මිනුම් රසායනාගාරය. එක්ස් කිරණ ශක්තිය සුසර කිරීම සඳහා ද්‍රව නයිට්‍රජන් සමඟ සිසිල් කරන ලද ද්වි-ස්ඵටික Si(111) ඒකවර්ණකයක් භාවිතා කරන ලද අතර, හාර්මොනික් අන්තර්ගතය දුර්වල කිරීම සඳහා රෝඩියම්-ආලේපිත දර්පණයක් භාවිතා කරන ලදී. ස්කෑන් ශක්තීන් 13200 සිට 14400 eV දක්වා වෙනස් වූ අතර, පෙරහන් හෝ සොලර් ස්ලිට් නොමැතිව 5 × 5 සිලිකන් PIN ඩයෝඩ අරාවක් භාවිතයෙන් ප්‍රතිදීප්තතාව මනිනු ලැබීය. දෙවන ව්‍යුත්පන්නයේ ශුන්‍ය හරස් ශක්තිය Pt තීරුවේ L2 දාරය හරහා 13271.90 eV හිදී ක්‍රමාංකනය කෙරේ. විද්‍යුත් රසායනික සෛලයේ ඝණකම නිසා, යොමු ප්‍රමිතියේ වර්ණාවලිය එකවර මැනීමට නොහැකි විය. මේ අනුව, අත්හදා බැලීම පුරාවට නැවත නැවත මිනුම් මත පදනම්ව, සිද්ධි X-කිරණ ශක්තියේ ගණනය කරන ලද ස්කෑන්-ටු-ස්කෑන් වෙනස ±0.015 eV වේ. Bi2O3 ස්ථරයේ ඝණකම යම් ප්‍රමාණයක ප්‍රතිදීප්තතාවයේ ස්වයං-අවශෝෂණයකට මග පාදයි; ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සිදුවීම් කදම්භයට සහ අනාවරකයට සාපේක්ෂව ස්ථාවර දිශානතියක් පවත්වා ගෙන යන අතර එමඟින් සියලුම ස්කෑන් පාහේ සමාන වේ. ඇතීනා මෘදුකාංගයේ රේඛීය සංයෝජන සවි කිරීමේ ඇල්ගොරිතමය (අනුවාදය 0.9.26) භාවිතා කරමින් Bi සහ Bi2O3 ප්‍රමිතීන්හි XANES කලාපය සමඟ සංසන්දනය කිරීමෙන් බිස්මට් හි ඔක්සිකරණ තත්ත්වය සහ රසායනික ස්වරූපය තීරණය කිරීම සඳහා ආසන්න ක්ෂේත්‍ර XAFS වර්ණාවලිය භාවිතා කරන ලදී. IFEFFIT 44 කේතය අනුව.
මෙම ලිපියේ සංඛ්‍යාලේඛන සහ මෙම අධ්‍යයනයේ අනෙකුත් නිගමන සඳහා සහාය වන දත්ත, සාධාරණ ඉල්ලීමක් මත අදාළ කතුවරයාගෙන් ලබා ගත හැකිය.
ක්‍රැන්ඩල් බීඑස්, බ්‍රික්ස් ටී., වෙබර් ආර්එස් සහ ජියාඕ එෆ්. හරිත මාධ්‍ය සැපයුම් දාම H2 හි තාක්ෂණික-ආර්ථික තක්සේරුව. බලශක්ති ඉන්ධන 37, 1441–1450 (2023).
යූනාස් එම්, රෙසකාසෙමි එම්, අර්බාබ් එම්එස්, ෂා ජේ සහ රෙහ්මාන් වී. හරිත හයිඩ්‍රජන් ගබඩා කිරීම සහ බෙදා හැරීම: ඉතා ක්‍රියාකාරී සමජාතීය සහ විෂමජාතීය උත්ප්‍රේරක භාවිතා කරමින් ෆෝමික් අම්ලයේ විජලනය. ජාත්‍යන්තරත්වය. ජේ. ගිඩ්‍රොග්. බලශක්තිය 47, 11694–11724 (2022).
Nie, R. et al. විෂමජාතීය සංක්‍රාන්ති ලෝහ උත්ප්‍රේරකවලට වඩා ෆෝමික් අම්ලයේ උත්ප්‍රේරක හුවමාරු හයිඩ්‍රජනීකරණයේ මෑත කාලීන ප්‍රගතිය. AKS නාමාවලිය. 11, 1071–1095 (2021).
රහිමි, ඒ., උල්බ්‍රිච්, ඒ., කුන්, ජේජේ, සහ ස්ටාල්, එස්එස් ෆෝමික් අම්ලය-ප්‍රේරිත ඔක්සිකරණය වූ ලිග්නින් ඇරෝමැටික සංයෝග බවට පරිවර්තනය කිරීමේ විපොලිමරීකරණය. නේචර් 515, 249–252 (2014).
Schuler E. et al. ෆෝමික් අම්ලය CO 2 භාවිතය සඳහා ප්‍රධාන අතරමැදියක් ලෙස ක්‍රියා කරයි. කොළ. රසායනික. 24, 8227–8258 (2022).
චෞ, එච්. සහ තවත් අය. කාබෝහයිඩ්‍රේට් සහ ලිග්නින් අන්තර්ගතයේ සමස්ත වැඩිදියුණු කිරීම සඳහා ප්‍රවාහ-හරහා ෆෝමික් අම්ලය භාවිතා කරමින් ජෛව ස්කන්ධයේ වේගවත් විනාශකාරී නොවන ඛණ්ඩනය (≤15 min). රසායන විද්‍යාව සහ රසායන විද්‍යාව 12, 1213–1221 (2019).
කැල්වි, සීඑච් සහ තවත් අය. අනුවර්තන රසායනාගාර පරිණාමීය තොරතුරු ඉංජිනේරු විද්‍යාව භාවිතයෙන් ආකෘති පත්‍රය මත කප්‍රියාවිඩස් නෙකේටර් H16 හි වැඩි දියුණු කළ වර්ධනය. පරිවෘත්තීය ද්‍රව්‍ය. ඉංජිනේරු. 75, 78–90 (2023).
ඉෂායි, ඕ. සහ ලින්ඩ්නර්, එස්එන් ගොන්සාලෙස් ඩි ලා කෲස්, ජේ., ටෙනෙන්බොයිම්, එච්. සහ බාර්-ඊවන්, ඒ. ෆෝමැටේස් වල ජෛව ආර්ථික විද්‍යාව. ධාරාව. මතය. රසායනික. ජීව විද්‍යාව. 35, 1–9 (2016).