Nature.com ஐப் பார்வையிட்டதற்கு நன்றி. நீங்கள் பயன்படுத்தும் உலாவியின் பதிப்பில் CSS ஆதரவு குறைவாகவே உள்ளது. சிறந்த முடிவுகளுக்கு, உங்கள் உலாவியின் புதிய பதிப்பைப் பயன்படுத்துமாறு பரிந்துரைக்கிறோம் (அல்லது Internet Explorer இல் இணக்கத்தன்மை பயன்முறையை முடக்கவும்). இதற்கிடையில், தொடர்ச்சியான ஆதரவை உறுதிசெய்ய, ஸ்டைலிங் அல்லது ஜாவாஸ்கிரிப்ட் இல்லாமல் தளத்தைக் காண்பிக்கிறோம்.
கார்பன் டை ஆக்சைடை ஃபார்மிக் அமிலமாக மின்வேதியியல் ரீதியாகக் குறைப்பது கார்பன் டை ஆக்சைடு பயன்பாட்டை மேம்படுத்துவதற்கான ஒரு நம்பிக்கைக்குரிய வழியாகும், மேலும் ஹைட்ரஜன் சேமிப்பு ஊடகமாக சாத்தியமான பயன்பாடுகளைக் கொண்டுள்ளது. இந்த வேலையில், கார்பன் டை ஆக்சைடில் இருந்து ஃபார்மிக் அமிலத்தின் நேரடி மின்வேதியியல் தொகுப்புக்காக பூஜ்ஜிய இடைவெளி சவ்வு மின்முனை அசெம்பிளி கட்டமைப்பு உருவாக்கப்பட்டுள்ளது. ஒரு முக்கிய தொழில்நுட்ப முன்னேற்றம் துளையிடப்பட்ட கேஷன் பரிமாற்ற சவ்வு ஆகும், இது முன்னோக்கி சார்புடைய இருமுனை சவ்வு கட்டமைப்பில் பயன்படுத்தப்படும்போது, ​​சவ்வு இடைமுகத்தில் உருவாகும் ஃபார்மிக் அமிலத்தை 0.25 M க்கும் குறைவான செறிவுகளில் அனோடிக் ஓட்டப் புலம் வழியாக இடமாற்றம் செய்ய அனுமதிக்கிறது. அனோட் மற்றும் கேத்தோடு இடையே கூடுதல் சாண்ட்விச் கூறுகள் இல்லாமல், எரிபொருள் செல்கள் மற்றும் ஹைட்ரஜன் மின்னாற்பகுப்பில் பொதுவான இருக்கும் பேட்டரி பொருட்கள் மற்றும் வடிவமைப்புகளைப் பயன்படுத்துவதை இந்த கருத்து நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது, இது அளவு அதிகரிப்பு மற்றும் வணிகமயமாக்கலுக்கு விரைவான மாற்றத்தை அனுமதிக்கிறது. 25 செ.மீ2 கலத்தில், துளையிடப்பட்ட கேஷன் பரிமாற்ற சவ்வு உள்ளமைவு <2 V மற்றும் 300 mA/cm2 இல் ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கான 75% ஃபாரடே செயல்திறனை வழங்குகிறது. மிக முக்கியமாக, 200 mA/cm2 இல் 55 மணிநேர நிலைத்தன்மை சோதனை நிலையான ஃபாரடே செயல்திறன் மற்றும் செல் மின்னழுத்தத்தைக் காட்டியது. தற்போதைய ஃபார்மிக் அமில உற்பத்தி முறைகளுடன் செலவு சமநிலையை அடைவதற்கான வழிகளை விளக்குவதற்கு ஒரு தொழில்நுட்ப-பொருளாதார பகுப்பாய்வு பயன்படுத்தப்படுகிறது.
புதுப்பிக்கத்தக்க மின்சாரத்தைப் பயன்படுத்தி கார்பன் டை ஆக்சைடை ஃபார்மிக் அமிலமாக மாற்றும் மின்வேதியியல் செயல்முறை, பாரம்பரிய புதைபடிவ எரிபொருள் அடிப்படையிலான முறைகளுடன் ஒப்பிடும்போது உற்பத்திச் செலவுகளை 75%1 வரை குறைப்பதாகக் காட்டப்பட்டுள்ளது. இலக்கியத்தில் குறிப்பிடப்பட்டுள்ளபடி2,3, ஃபார்மிக் அமிலம் ஹைட்ரஜனை சேமித்து கொண்டு செல்வதற்கான திறமையான மற்றும் சிக்கனமான வழிமுறைகளிலிருந்து வேதியியல் தொழில்4,5 அல்லது உயிரித் தொழில்6க்கான மூலப்பொருளுக்கு கொண்டு செல்வதற்கான பரந்த அளவிலான பயன்பாடுகளைக் கொண்டுள்ளது. வளர்சிதை மாற்ற பொறியியலைப் பயன்படுத்தி நிலையான ஜெட் எரிபொருள் இடைநிலைகளாக மாற்றுவதற்கான மூலப்பொருளாக ஃபார்மிக் அமிலம் அடையாளம் காணப்பட்டுள்ளது7,8. ஃபார்மிக் அமிலப் பொருளாதாரத்தின் வளர்ச்சியுடன்1,9, பல ஆராய்ச்சிப் பணிகள் வினையூக்கித் தேர்ந்தெடுப்பை மேம்படுத்துவதில் கவனம் செலுத்தியுள்ளன10,11,12,13,14,15,16. இருப்பினும், பல முயற்சிகள் சிறிய H-செல்கள் அல்லது குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்தியில் (<50 mA/cm2) இயங்கும் திரவ ஓட்ட செல்கள் மீது தொடர்ந்து கவனம் செலுத்துகின்றன. செலவுகளைக் குறைக்கவும், வணிகமயமாக்கலை அடையவும், அடுத்தடுத்த சந்தை ஊடுருவலை அதிகரிக்கவும், மின்வேதியியல் கார்பன் டை ஆக்சைடு குறைப்பு (CO2R) அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி (≥200 mA/cm2) மற்றும் ஃபாரடே செயல்திறன் (FE)17 இல் செய்யப்பட வேண்டும், அதே நேரத்தில் பொருள் பயன்பாட்டை அதிகப்படுத்தவும், எரிபொருள் செல்கள் மற்றும் நீர் மின்னாற்பகுப்பு தொழில்நுட்பத்திலிருந்து பேட்டரி கூறுகளைப் பயன்படுத்தவும் CO2R சாதனங்கள் அளவிலான சிக்கனங்களைப் பயன்படுத்திக் கொள்ள அனுமதிக்கின்றன18. கூடுதலாக, உற்பத்தியின் பயன்பாட்டை அதிகரிக்கவும், கூடுதல் கீழ்நிலை செயலாக்கத்தைத் தவிர்க்கவும், ஃபார்மேட் உப்புகளை விட ஃபார்மிக் அமிலத்தை இறுதி தயாரிப்பாகப் பயன்படுத்த வேண்டும்19.
இந்த திசையில், தொழில்துறை ரீதியாக பொருத்தமான CO2R ஃபார்மேட்/ஃபார்மிக் அமிலம் சார்ந்த வாயு பரவல் மின்முனை (GDE) சாதனங்களை உருவாக்க சமீபத்திய முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்பட்டுள்ளன. பெர்னாண்டஸ்-காசோ மற்றும் பலர் மேற்கொண்ட விரிவான மதிப்பாய்வு.20, CO2 ஐ ஃபார்மிக் அமிலம்/ஃபார்மேட்டாக தொடர்ந்து குறைப்பதற்கான அனைத்து மின்வேதியியல் செல் உள்ளமைவுகளையும் சுருக்கமாகக் கூறுகிறது. பொதுவாக, தற்போதுள்ள அனைத்து உள்ளமைவுகளையும் மூன்று முக்கிய வகைகளாகப் பிரிக்கலாம்: 1. ஓட்டம்-மூலம் கத்தோலைட்டுகள்19,21,22,23,24,25,26,27, 2. ஒற்றை சவ்வு (கேஷன் பரிமாற்ற சவ்வு (CEM)28 அல்லது அயனி பரிமாற்ற சவ்வு (AEM)29 மற்றும் 3. சாண்ட்விச் உள்ளமைவு15,30,31,32. இந்த உள்ளமைவுகளின் எளிமைப்படுத்தப்பட்ட குறுக்குவெட்டுகள் படம் 1a இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. கத்தோலைட்டின் ஓட்ட உள்ளமைவுக்கு, சவ்வுக்கும் GDE இன் கேத்தோடுக்கும் இடையில் ஒரு எலக்ட்ரோலைட் அறை உருவாக்கப்படுகிறது. வினையூக்கியின் கேத்தோடு அடுக்கில் அயன் சேனல்களை உருவாக்க ஓட்டம்-மூலம் கத்தோலைட் பயன்படுத்தப்படுகிறது33, இருப்பினும் அதன் ஃபார்மேட் தேர்ந்தெடுப்பைக் கட்டுப்படுத்தும் தேவை விவாதிக்கப்படுகிறது34. இருப்பினும், இந்த உள்ளமைவை சென் மற்றும் பலர் பயன்படுத்தினர். 1.27 மிமீ தடிமன் கொண்ட கத்தோலைட் அடுக்குடன் கூடிய கார்பன் அடி மூலக்கூறில் SnO2 கேத்தோடைப் பயன்படுத்தி, 500 mA/cm2 இல் 90% FE 35 வரை அடையப்பட்டது. ஒரு தடிமனான கலவையின் கலவை கேத்தோலைட் அடுக்கு மற்றும் அயனி பரிமாற்றத்தை கட்டுப்படுத்தும் ஒரு தலைகீழ்-சார்புடைய இருமுனை சவ்வு (BPM) 6 V இன் இயக்க மின்னழுத்தத்தையும் 15% ஆற்றல் திறனையும் வழங்குகிறது. ஆற்றல் செயல்திறனை மேம்படுத்த, Li மற்றும் பலர், ஒற்றை CEM உள்ளமைவைப் பயன்படுத்தி, 51.7 mA/cm2 என்ற பகுதி மின்னோட்ட அடர்த்தியில் 93.3% இல் FE 29 ஐ அடைந்தனர். டயஸ்-சைன்ஸ் மற்றும் பலர்.28 45 mA/cm2 மின்னோட்ட அடர்த்தியில் ஒற்றை CEM சவ்வுடன் கூடிய வடிகட்டி அழுத்தத்தைப் பயன்படுத்தினர். இருப்பினும், அனைத்து முறைகளும் விருப்பமான தயாரிப்பு, ஃபார்மிக் அமிலத்தை விட ஃபார்மேட்டை உற்பத்தி செய்தன. கூடுதல் செயலாக்கத் தேவைகளுக்கு கூடுதலாக, CEM உள்ளமைவுகளில், KCOOH போன்ற வடிவங்கள் GDE மற்றும் ஓட்டப் புலத்தில் விரைவாகக் குவிந்து, போக்குவரத்து கட்டுப்பாடுகள் மற்றும் இறுதியில் செல் செயலிழப்பை ஏற்படுத்தும்.
இந்த ஆய்வில் முன்மொழியப்பட்ட மூன்று மிக முக்கியமான CO2R ஐ ஃபார்மேட்/ஃபார்மிக் அமில மாற்ற சாதன உள்ளமைவுகள் மற்றும் கட்டமைப்புடன் ஒப்பிடுதல். b இலக்கியத்தில் (துணை அட்டவணை S1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது) கேத்தோலைட் உள்ளமைவுகள், சாண்ட்விச் உள்ளமைவுகள், ஒற்றை CEM உள்ளமைவுகள் மற்றும் எங்கள் பணிக்கான மொத்த மின்னோட்டம் மற்றும் ஃபார்மேட்/ஃபார்மிக் அமில விளைச்சலின் ஒப்பீடு. திறந்த மதிப்பெண்கள் ஃபார்மேட் கரைசலின் உற்பத்தியைக் குறிக்கின்றன, மேலும் திட மதிப்பெண்கள் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் உற்பத்தியைக் குறிக்கின்றன. *அனோடில் ஹைட்ரஜனைப் பயன்படுத்தி காட்டப்பட்டுள்ள உள்ளமைவு. c முன்னோக்கி சார்பு பயன்முறையில் இயங்கும் துளையிடப்பட்ட கேஷன் பரிமாற்ற அடுக்குடன் கூடிய கூட்டு இருமுனை சவ்வைப் பயன்படுத்தி பூஜ்ஜிய-இடைவெளி MEA உள்ளமைவு.
ஃபார்மேட் உருவாவதைத் தடுக்க, ப்ரோயெட்டோ மற்றும் பலர் 32, இடை அடுக்கு வழியாக அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட நீர் பாயும் ஒரு பிளவு இல்லாத வடிகட்டி அழுத்த உள்ளமைவைப் பயன்படுத்தினர். இந்த அமைப்பு 50–80 mA/cm2 என்ற தற்போதைய அடர்த்தி வரம்பில் >70% CE ஐ அடைய முடியும். இதேபோல், ஃபார்மிக் அமிலம் உருவாவதை ஊக்குவிக்க CEM மற்றும் AEM இடையே ஒரு திட எலக்ட்ரோலைட் இடை அடுக்கைப் பயன்படுத்துவதை யாங் மற்றும் பலர் 14 முன்மொழிந்தனர். 200 mA/cm2 இல் 5 செ.மீ2 கலத்தில் 91.3% FE ஐ யாங் மற்றும் பலர் 31,36 அடைந்தனர், இது 6.35 wt% ஃபார்மிக் அமிலக் கரைசலை உருவாக்கியது. சியா மற்றும் பலர். இதே போன்ற உள்ளமைவைப் பயன்படுத்தி, 200 mA/cm2 இல் கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO2) ஃபார்மிக் அமில FE ஆக 83% மாற்றப்பட்டது, மேலும் அமைப்பின் ஆயுள் 100 மணிநேரம் 30 நிமிடங்களுக்கு சோதிக்கப்பட்டது. சிறிய அளவிலான முடிவுகள் நம்பிக்கைக்குரியவை என்றாலும், நுண்துளை அயனி பரிமாற்ற பிசின்களின் அதிகரித்த விலை மற்றும் சிக்கலானது இடை அடுக்கு உள்ளமைவுகளை பெரிய அமைப்புகளுக்கு (எ.கா., 1000 செ.மீ2) அளவிடுவதை கடினமாக்குகிறது.
வெவ்வேறு வடிவமைப்புகளின் நிகர விளைவைக் காட்சிப்படுத்த, முன்னர் குறிப்பிடப்பட்ட அனைத்து அமைப்புகளுக்கும் ஒரு kWh க்கு ஃபார்மேட்/ஃபார்மிக் அமில உற்பத்தியை நாங்கள் அட்டவணைப்படுத்தி, படம் 1b இல் அவற்றை வரைந்தோம். கத்தோலைட் அல்லது இன்டர்லேயரைக் கொண்ட எந்தவொரு அமைப்பும் குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்தியில் அதன் செயல்திறனை உச்சப்படுத்தும் மற்றும் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் சிதைக்கும் என்பது இங்கே தெளிவாகிறது, அங்கு ஓமிக் வரம்பு செல் மின்னழுத்தத்தை தீர்மானிக்கக்கூடும். மேலும், ஆற்றல்-திறனுள்ள CEM உள்ளமைவு ஒரு kWh க்கு மிக உயர்ந்த மோலார் ஃபார்மிக் அமில உற்பத்தியை வழங்கினாலும், உப்பு குவிப்பு அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் விரைவான செயல்திறன் சிதைவுக்கு வழிவகுக்கும்.
முன்னர் விவாதிக்கப்பட்ட தோல்வி முறைகளைத் தணிக்க, துளையிடப்பட்ட கேஷன் பரிமாற்ற சவ்வு (PCEM) கொண்ட ஒரு கூட்டு முன்னோக்கி சார்புடைய BPM ஐக் கொண்ட ஒரு சவ்வு மின்முனை அசெம்பிளி (MEA) ஐ நாங்கள் உருவாக்கினோம். இந்த கட்டமைப்பு படம் 1c இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. ஹைட்ரஜன் ஆக்சிஜனேற்ற எதிர்வினை (HOR) மூலம் புரோட்டான்களை உருவாக்க ஹைட்ரஜன் (H2) அனோடில் அறிமுகப்படுத்தப்படுகிறது. கேத்தோடில் உருவாக்கப்படும் ஃபார்மேட் அயனிகள் AEM வழியாகச் செல்லவும், புரோட்டான்களுடன் இணைந்து BPM இடைமுகம் மற்றும் CEM இன் இடைநிலை துளைகளில் ஃபார்மிக் அமிலத்தை உருவாக்கவும், பின்னர் GDE அனோட் மற்றும் ஓட்டப் புலம் வழியாக வெளியேறவும் அனுமதிக்க BPM அமைப்பில் ஒரு PCEM அடுக்கு அறிமுகப்படுத்தப்படுகிறது. இந்த உள்ளமைவைப் பயன்படுத்தி, 25 செ.மீ2 செல் பகுதிக்கு <2 V இல் 75% FE மற்றும் 300 mA/cm2 ஃபார்மிக் அமிலத்தை நாங்கள் அடைந்தோம். மிக முக்கியமாக, வடிவமைப்பு எரிபொருள் செல் மற்றும் நீர் மின்னாற்பகுப்பு ஆலைகளுக்கு வணிக ரீதியாக கிடைக்கக்கூடிய கூறுகள் மற்றும் வன்பொருள் கட்டமைப்புகளைப் பயன்படுத்துகிறது, இது அளவிட விரைவான நேரத்தை அனுமதிக்கிறது. கேத்தோலைட் உள்ளமைவுகளில் கேத்தோலைட் ஓட்ட அறைகள் உள்ளன, அவை வாயு மற்றும் திரவ கட்டங்களுக்கு இடையில் அழுத்த ஏற்றத்தாழ்வை ஏற்படுத்தும், குறிப்பாக பெரிய செல் உள்ளமைவுகளில். திரவ ஓட்டத்தின் நுண்துளை அடுக்குகளைக் கொண்ட சாண்ட்விச் கட்டமைப்புகளுக்கு, இடைநிலை அடுக்குக்குள் அழுத்த வீழ்ச்சி மற்றும் கார்பன் டை ஆக்சைடு குவிப்பைக் குறைக்க நுண்துளை இடைநிலை அடுக்கை மேம்படுத்த குறிப்பிடத்தக்க முயற்சிகள் தேவைப்படுகின்றன. இவை இரண்டும் செல்லுலார் தகவல்தொடர்புகளில் இடையூறுக்கு வழிவகுக்கும். பெரிய அளவில் சுதந்திரமாக நிற்கும் மெல்லிய நுண்துளை அடுக்குகளை உருவாக்குவதும் கடினம். இதற்கு நேர்மாறாக, முன்மொழியப்பட்ட புதிய உள்ளமைவு ஒரு பூஜ்ஜிய இடைவெளி MEA உள்ளமைவாகும், இது ஓட்ட அறை அல்லது இடைநிலை அடுக்கைக் கொண்டிருக்கவில்லை. தற்போதுள்ள பிற மின்வேதியியல் செல்களுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​முன்மொழியப்பட்ட உள்ளமைவு தனித்துவமானது, இது அளவிடக்கூடிய, ஆற்றல்-திறனுள்ள, பூஜ்ஜிய இடைவெளி உள்ளமைவில் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் நேரடி தொகுப்பை அனுமதிக்கிறது.
ஹைட்ரஜன் பரிணாமத்தை அடக்க, பெரிய அளவிலான CO2 குறைப்பு முயற்சிகள் MEA மற்றும் AEM சவ்வு உள்ளமைவுகளை அதிக மோலார் செறிவு எலக்ட்ரோலைட்டுகளுடன் (எ.கா., 1-10 M KOH) இணைந்து கேத்தோடில் கார நிலைமைகளை உருவாக்க பயன்படுத்தியுள்ளன (படம் 2a இல் காட்டப்பட்டுள்ளது). இந்த உள்ளமைவுகளில், கேத்தோடில் உருவாகும் ஃபார்மேட் அயனிகள் எதிர்மறையாக சார்ஜ் செய்யப்பட்ட இனங்களாக சவ்வு வழியாக செல்கின்றன, பின்னர் KCOOH உருவாகி அனோடிக் KOH ஸ்ட்ரீம் வழியாக அமைப்பை விட்டு வெளியேறுகிறது. படம் 2b இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி ஃபார்மேட் FE மற்றும் செல் மின்னழுத்தம் ஆரம்பத்தில் சாதகமாக இருந்தபோதிலும், நிலைத்தன்மை சோதனை 10 மணிநேரத்தில் FE இல் தோராயமாக 30% குறைப்பை ஏற்படுத்தியது (படம் S1a-c). கார ஆக்ஸிஜன் பரிணாம எதிர்வினை (OER) அமைப்புகளில் அனோடிக் ஓவர்வோல்டேஜ் குறைக்கவும், கேத்தோடு வினையூக்கி படுக்கைக்குள் அயன் அணுகலை அடையவும் 1 M KOH அனோலைட்டின் பயன்பாடு மிகவும் முக்கியமானது என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும்37. அனோலைட் செறிவு 0.1 M KOH ஆகக் குறைக்கப்படும்போது, ​​செல் மின்னழுத்தம் மற்றும் ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றம் (ஃபார்மிக் அமிலத்தின் இழப்பு) இரண்டும் அதிகரிக்கின்றன (படம் S1d), இது பூஜ்ஜிய-தொகை வர்த்தகத்தை விளக்குகிறது. ஃபார்மேட் ஆக்சிஜனேற்றத்தின் அளவு ஒட்டுமொத்த நிறை சமநிலையைப் பயன்படுத்தி மதிப்பிடப்பட்டது; மேலும் விவரங்களுக்கு, "முறைகள்" பகுதியைப் பார்க்கவும். MEA மற்றும் ஒற்றை CEM சவ்வு உள்ளமைவுகளைப் பயன்படுத்தும் செயல்திறன் ஆய்வு செய்யப்பட்டது, மேலும் முடிவுகள் படம் S1f,g இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. சோதனையின் தொடக்கத்தில் கேத்தோடில் இருந்து சேகரிக்கப்பட்ட FE ஃபார்மேட் 200 mA/cm2 இல் >60% ஆக இருந்தது, ஆனால் முன்பு விவாதிக்கப்பட்ட கேத்தோடு உப்பு குவிப்பு காரணமாக இரண்டு மணி நேரத்திற்குள் விரைவாக சிதைந்தது (படம் S11).
கேத்தோடில் CO2R, அனோடில் ஹைட்ரஜன் ஆக்சிஜனேற்ற எதிர்வினை (HOR) அல்லது OER மற்றும் இடையில் ஒரு AEM சவ்வு கொண்ட பூஜ்ஜிய இடைவெளி MEAவின் திட்ட வரைபடம். b 1 M KOH மற்றும் அனோடில் பாயும் இந்த உள்ளமைவுக்கான FE மற்றும் செல் மின்னழுத்தம். FE மற்றும் அமைப்பு செல் மின்னழுத்தத்தில் H2 மற்றும் அனோடில் HOR உடன். ஃபார்மேட் மற்றும் ஃபார்மிக் அமில உற்பத்தியை வேறுபடுத்துவதற்கு வெவ்வேறு வண்ணங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. d BPM நடுவில் முன்னோக்கி மாற்றப்பட்ட MEA இன் திட்ட வரைபடம். இந்த உள்ளமைவைப் பயன்படுத்தி 200 mA/cm2 இல் FE மற்றும் பேட்டரி மின்னழுத்தம் மற்றும் நேரம். f ஒரு குறுகிய சோதனைக்குப் பிறகு முன்னோக்கி-சார்புடைய BPM MEA இன் குறுக்கு வெட்டு படம்.
ஃபார்மிக் அமிலத்தை உற்பத்தி செய்ய, ஹைட்ரஜன், அனோடில் உள்ள Pt-ஆன்-கார்பன் (Pt/C) வினையூக்கிக்கு வழங்கப்படுகிறது. படம் 2d இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, அனோடில் முன்னோக்கி-சார்புடைய BPM உருவாக்கும் புரோட்டான்கள் ஃபார்மிக் அமில உற்பத்தியை அடைய முன்னர் ஆராயப்பட்டுள்ளன. 200 mA/cm2 மின்னோட்டத்தில் 40 நிமிடங்கள் செயல்பட்ட பிறகு BPM டியூனிங் யூனிட் தோல்வியடைந்தது, அதனுடன் 5 V க்கும் அதிகமான மின்னழுத்த எழுச்சியும் ஏற்பட்டது (படம் 2e). சோதனைக்குப் பிறகு, CEM/AEM இடைமுகத்தில் வெளிப்படையான டிலாமினேஷன் காணப்பட்டது. ஃபார்மேட்டைத் தவிர, கார்பனேட், பைகார்பனேட் மற்றும் ஹைட்ராக்சைடு போன்ற அனான்களும் AEM சவ்வு வழியாகச் சென்று CEM/AEM இடைமுகத்தில் உள்ள புரோட்டான்களுடன் வினைபுரிந்து CO2 வாயு மற்றும் திரவ நீரை உற்பத்தி செய்யலாம், இது BPM டிலாமினேஷனுக்கு வழிவகுக்கிறது (படம் 2f) மற்றும், இறுதியில் செல் செயலிழப்புக்கு வழிவகுக்கிறது.
மேலே உள்ள உள்ளமைவின் செயல்திறன் மற்றும் தோல்வி வழிமுறைகளின் அடிப்படையில், படம் 1c இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி மற்றும் படம் 3a38 இல் விவரிக்கப்பட்டுள்ளபடி ஒரு புதிய MEA கட்டமைப்பு முன்மொழியப்பட்டது. இங்கே, PCEM அடுக்கு CEM/AEM இடைமுகத்திலிருந்து ஃபார்மிக் அமிலம் மற்றும் அனான்களின் இடம்பெயர்வுக்கு ஒரு பாதையை வழங்குகிறது, இதன் மூலம் பொருளின் திரட்சியைக் குறைக்கிறது. அதே நேரத்தில், PCEM இடைநிலை பாதை ஃபார்மிக் அமிலத்தை பரவல் ஊடகம் மற்றும் ஓட்டப் புலத்திற்கு வழிநடத்துகிறது, ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றத்தின் சாத்தியத்தைக் குறைக்கிறது. 80, 40 மற்றும் 25 மிமீ தடிமன் கொண்ட AEMகளைப் பயன்படுத்தி துருவமுனைப்பு முடிவுகள் படம் 3b இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. எதிர்பார்த்தபடி, AEM தடிமன் அதிகரிப்பதன் மூலம் ஒட்டுமொத்த செல் மின்னழுத்தம் அதிகரித்தாலும், தடிமனான AEM ஐப் பயன்படுத்துவது ஃபார்மிக் அமிலத்தின் பின் பரவலைத் தடுக்கிறது, இதன் மூலம் கேத்தோடு pH ஐ அதிகரிக்கிறது மற்றும் H2 உற்பத்தியைக் குறைக்கிறது (படம் 3c–e).
AEM மற்றும் துளையிடப்பட்ட CEM மற்றும் வெவ்வேறு ஃபார்மிக் அமில போக்குவரத்து பாதைகளுடன் MEA அமைப்பின் விளக்கம். b வெவ்வேறு மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் வெவ்வேறு AEM தடிமன்களில் செல் மின்னழுத்தம். 80 μm (d) 40 μm AEM தடிமன் கொண்ட பல்வேறு மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் EE இல், e) 25 μm. பிழை பார்கள் மூன்று தனித்தனி மாதிரிகளிலிருந்து அளவிடப்பட்ட நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன. f வெவ்வேறு AEM தடிமன்களில் CEM/AEM இடைமுகத்தில் ஃபார்மிக் அமில செறிவு மற்றும் pH மதிப்பின் உருவகப்படுத்துதல் முடிவுகள். வெவ்வேறு AEM பட தடிமன் கொண்ட வினையூக்கியின் கேத்தோடு அடுக்கில் f PC மற்றும் pH. g CEM/AEM இடைமுகம் மற்றும் துளையிடலுடன் ஃபார்மிக் அமில செறிவின் இரு பரிமாண விநியோகம்.
படம் S2, Poisson-Nernst-Planck வரையறுக்கப்பட்ட தனிம மாதிரியைப் பயன்படுத்தி MEA தடிமன் முழுவதும் ஃபார்மிக் அமில செறிவு மற்றும் pH இன் பரவலைக் காட்டுகிறது. இந்த இடைமுகத்தில் ஃபார்மிக் அமிலம் உருவாகுவதால், CEM/AEM இடைமுகத்தில் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் அதிகபட்ச செறிவு 0.23 mol/L காணப்படுவது ஆச்சரியமல்ல. AEM இன் தடிமன் அதிகரிக்கும் போது AEM வழியாக ஃபார்மிக் அமிலத்தின் செறிவு வேகமாகக் குறைகிறது, இது நிறை பரிமாற்றத்திற்கு அதிக எதிர்ப்பையும், பின் பரவல் காரணமாக குறைவான ஃபார்மிக் அமில பாய்ச்சலையும் குறிக்கிறது. படங்கள் 3 f மற்றும் g, பின் பரவல் மற்றும் ஃபார்மிக் அமில செறிவின் இரு பரிமாண விநியோகத்தால் ஏற்படும் கேத்தோடு வினையூக்கி படுக்கையில் pH மற்றும் ஃபார்மிக் அமில மதிப்புகளைக் காட்டுகின்றன. AEM சவ்வு மெல்லியதாக இருந்தால், கேத்தோடு அருகே ஃபார்மிக் அமிலத்தின் செறிவு அதிகமாகும், மேலும் கேத்தோடு pH அமிலமாகிறது. எனவே, தடிமனான AEM சவ்வுகள் அதிக ஓமிக் இழப்புகளை ஏற்படுத்தினாலும், அவை கேத்தோடுக்கு ஃபார்மிக் அமிலத்தின் பின் பரவலைத் தடுப்பதற்கும் FE ஃபார்மிக் அமில அமைப்பின் உயர் தூய்மையை அதிகரிப்பதற்கும் முக்கியமானவை. இறுதியாக, AEM தடிமன் 80 μm ஆக அதிகரித்ததன் விளைவாக <2 V இல் ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கு FE >75% மற்றும் 25 செ.மீ2 செல் பரப்பளவில் 300 mA/cm2 கிடைத்தது.
இந்த PECM-அடிப்படையிலான கட்டமைப்பின் நிலைத்தன்மையைச் சோதிக்க, பேட்டரி மின்னோட்டம் 200 mA/cm2 இல் 55 மணிநேரங்களுக்குப் பராமரிக்கப்பட்டது. ஒட்டுமொத்த முடிவுகள் படம் 4 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன, முதல் 3 மணிநேரங்களின் முடிவுகள் படம் S3 இல் சிறப்பிக்கப்பட்டுள்ளன. Pt/C அனோடிக் வினையூக்கியைப் பயன்படுத்தும் போது, ​​செல் மின்னழுத்தம் முதல் 30 நிமிடங்களுக்குள் கூர்மையாக அதிகரித்தது (படம் S3a). நீண்ட காலத்திற்கு, செல் மின்னழுத்தம் கிட்டத்தட்ட மாறாமல் இருந்தது, இது 0.6 mV/h சிதைவு விகிதத்தை வழங்கியது (படம் 4a). சோதனையின் தொடக்கத்தில், அனோடில் சேகரிக்கப்பட்ட ஃபார்மிக் அமிலத்தின் PV 76.5% ஆகவும், கேத்தோடில் சேகரிக்கப்பட்ட ஹைட்ரஜனின் PV 19.2% ஆகவும் இருந்தது. சோதனையின் முதல் மணிநேரத்திற்குப் பிறகு, ஹைட்ரஜன் FE 13.8% ஆகக் குறைந்தது, இது மேம்பட்ட ஃபார்மேட் தேர்ந்தெடுப்பைக் குறிக்கிறது. இருப்பினும், அமைப்பில் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் ஆக்சிஜனேற்ற விகிதம் 1 மணி நேரத்தில் 62.7% ஆகக் குறைந்தது, மேலும் அனோடிக் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் ஆக்சிஜனேற்ற விகிதம் சோதனையின் தொடக்கத்தில் கிட்டத்தட்ட பூஜ்ஜியத்திலிருந்து 17.0% ஆக அதிகரித்தது. பின்னர், H2, CO, ஃபார்மிக் அமிலத்தின் FE மற்றும் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் அனோடிக் ஆக்சிஜனேற்ற விகிதம் ஆகியவை பரிசோதனையின் போது நிலையாக இருந்தன. முதல் மணிநேரத்தில் ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றத்தில் அதிகரிப்பு PCEM/AEM இடைமுகத்தில் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் திரட்சியின் காரணமாக இருக்கலாம். ஃபார்மிக் அமிலத்தின் செறிவு அதிகரிக்கும் போது, ​​அது சவ்வின் துளை வழியாக வெளியேறுவது மட்டுமல்லாமல், FEM வழியாகவும் பரவி Pt/C அனோட் அடுக்குக்குள் நுழைகிறது. ஃபார்மிக் அமிலம் 60°C இல் ஒரு திரவமாக இருப்பதால், அதன் குவிப்பு நிறை பரிமாற்ற சிக்கல்களை ஏற்படுத்தி ஹைட்ரஜனை விட முன்னுரிமை ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கு வழிவகுக்கும்.
a செல் மின்னழுத்தம் vs நேரம் (200 mA/cm2, 60 °C). துளையிடப்பட்ட EM உடன் MEA இன் குறுக்குவெட்டின் ஒளியியல் நுண்ணோக்கி படத்தை செருகல் காட்டுகிறது. அளவுகோல் பட்டை: 300 µm. b Pt/C அனோடைப் பயன்படுத்தி 200 mA/cm2 இல் நேரத்தின் செயல்பாடாக PE மற்றும் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் தூய்மை.
சோதனையின் தொடக்கத்தில் (BOT) தயாரிப்பின் போது மற்றும் 55 மணிநேர நிலைத்தன்மை சோதனைக்குப் பிறகு சோதனையின் முடிவில் (EOT) மாதிரிகளின் உருவவியல், படம் 5 a இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, நானோ-எக்ஸ்-ரே கம்ப்யூட்டட் டோமோகிராபி (நானோ-CT) ஐப் பயன்படுத்தி வகைப்படுத்தப்பட்டது. EOT மாதிரி BOTக்கான 930 nm உடன் ஒப்பிடும்போது 1207 nm விட்டம் கொண்ட பெரிய வினையூக்கி துகள் அளவைக் கொண்டுள்ளது. உயர் கோண வளைய இருண்ட-புல ஸ்கேனிங் டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (HAADF-STEM) படங்கள் மற்றும் ஆற்றல்-பரவக்கூடிய எக்ஸ்-ரே ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (EDS) முடிவுகள் படம் 5b இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. BOT வினையூக்கி அடுக்கில் பெரும்பாலான சிறிய வினையூக்கி துகள்கள் மற்றும் சில பெரிய திரட்டுகள் உள்ளன, EOT கட்டத்தில் வினையூக்கி அடுக்கை இரண்டு தனித்துவமான பகுதிகளாகப் பிரிக்கலாம்: ஒன்று கணிசமாக பெரிய திட துகள்கள் மற்றும் மற்றொன்று அதிக நுண்துளை பகுதிகள். சிறிய துகள்களின் எண்ணிக்கை. EDS படம் பெரிய திடத் துகள்கள் Bi, ஒருவேளை உலோக Bi இல் நிறைந்திருப்பதையும், நுண்துளை பகுதிகள் ஆக்ஸிஜனில் நிறைந்திருப்பதையும் காட்டுகிறது. செல் 200 mA/cm2 இல் இயக்கப்படும்போது, ​​கேத்தோடின் எதிர்மறை ஆற்றல் Bi2O3 இன் குறைப்பை ஏற்படுத்தும், இது கீழே விவாதிக்கப்பட்ட இன் சிட்டு எக்ஸ்-கதிர் உறிஞ்சுதல் நிறமாலை முடிவுகளால் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. HAADF-STEM மற்றும் EDS மேப்பிங் முடிவுகள் Bi2O3 ஒரு குறைப்பு செயல்முறைக்கு உட்படுகிறது, இதனால் அவை ஆக்ஸிஜனை இழந்து பெரிய உலோகத் துகள்களாக ஒன்றிணைகின்றன என்பதைக் காட்டுகின்றன. BOT மற்றும் EOT கேத்தோட்களின் எக்ஸ்-கதிர் விளிம்பு வடிவங்கள் EDS தரவின் விளக்கத்தை உறுதிப்படுத்துகின்றன (படம் 5c): BOT கேத்தோடில் படிக Bi2O3 மட்டுமே கண்டறியப்பட்டது, மேலும் EOT கேத்தோடில் படிக பைமெட்டல் காணப்பட்டது. Bi2O3 கேத்தோட் வினையூக்கியின் ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில் கேத்தோட் ஆற்றலின் விளைவைப் புரிந்து கொள்ள, வெப்பநிலை திறந்த சுற்று ஆற்றல் (+0.3 V vs RHE) முதல் -1.5 V (vs RHE) வரை மாறுபடும். RHE உடன் ஒப்பிடும்போது Bi2O3 கட்டம் -0.85 V இல் குறைக்கத் தொடங்குகிறது என்பதைக் காணலாம், மேலும் நிறமாலையின் விளிம்புப் பகுதியில் வெள்ளைக் கோட்டின் தீவிரம் குறைவது, உலோக Bi -1.1 இல் RHE இன் 90% ஆகக் குறைக்கப்படுவதைக் குறிக்கிறது. RHE க்கு எதிராக V (படம் 5d). பொறிமுறையைப் பொருட்படுத்தாமல், H2 மற்றும் CO FE மற்றும் ஃபார்மிக் அமில உருவாக்கம் ஆகியவற்றிலிருந்து ஊகிக்கப்படும்படி, கேத்தோடில் உள்ள ஃபார்மேட்டின் ஒட்டுமொத்த தேர்ந்தெடுப்புத்திறன் அடிப்படையில் மாறாமல் உள்ளது, கேத்தோடு உருவவியல், வினையூக்கி ஆக்சிஜனேற்ற நிலை மற்றும் மைக்ரோகிரிஸ்டலின் அமைப்பு ஆகியவற்றில் குறிப்பிடத்தக்க மாற்றங்கள் இருந்தபோதிலும்.
a நானோ-எக்ஸ்-ரே CT ஐப் பயன்படுத்தி பெறப்பட்ட வினையூக்கி அடுக்கின் முப்பரிமாண அமைப்பு மற்றும் வினையூக்கி துகள்களின் பரவல். அளவுகோல் பட்டை: 10 µm. b மேல் 2: BOT மற்றும் EOT வினையூக்கிகளின் கேத்தோடு அடுக்குகளின் HAADF-STEM படங்கள். அளவுகோல் பட்டை: 1 µm. கீழ் 2: EOT வினையூக்கியின் கேத்தோடு அடுக்கின் பெரிதாக்கப்பட்ட HADF-STEM மற்றும் EDX படங்கள். அளவுகோல் பட்டை: 100 nm. c BOT மற்றும் EOT கேத்தோடு மாதிரிகளின் எக்ஸ்-ரே டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் வடிவங்கள். d 0.1 M KOH இல் Bi2O3 மின்முனையின் இன் சிட்டு எக்ஸ்-ரே உறிஞ்சுதல் நிறமாலை, ஒரு சாத்தியமான செயல்பாடாக (0.8 V முதல் -1.5 V vs. RHE).
ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றத்தைத் தடுப்பதன் மூலம் ஆற்றல் செயல்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான வாய்ப்புகள் என்ன என்பதைத் துல்லியமாகத் தீர்மானிக்க, மின்னழுத்த இழப்பின் பங்களிப்பை அடையாளம் காண H2 குறிப்பு மின்முனை பயன்படுத்தப்பட்டது39. 500 mA/cm2 க்கும் குறைவான மின்னோட்ட அடர்த்தியில், கேத்தோடு ஆற்றல் -1.25 V க்கும் குறைவாகவே உள்ளது. அனோடிக் ஆற்றல் இரண்டு முக்கிய பகுதிகளாகப் பிரிக்கப்பட்டுள்ளது: பரிமாற்ற மின்னோட்ட அடர்த்தி HOR மற்றும் முன்னர் அளவிடப்பட்ட புல்டர்-வோல்மர் சமன்பாட்டால் கணிக்கப்பட்ட கோட்பாட்டு மிகை மின்னழுத்தம் HOR 40, மற்றும் மீதமுள்ள பகுதி ஆக்சிஜனேற்ற ஃபார்மிக் அமிலத்தால் ஏற்படுகிறது. HOR41 உடன் ஒப்பிடும்போது மிகவும் மெதுவான எதிர்வினை இயக்கவியல் காரணமாக, அனோடில் ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்ற வினையின் சிறிய விகிதம் அனோடிக் ஆற்றலில் குறிப்பிடத்தக்க அதிகரிப்புக்கு வழிவகுக்கும். ஃபார்மிக் அமில அனோடிக் ஆக்சிஜனேற்றத்தை முழுமையாகத் தடுப்பது கிட்டத்தட்ட 500 mV அதிக மின்னழுத்தத்தை நீக்கும் என்று முடிவுகள் காட்டுகின்றன.
இந்த மதிப்பீட்டைச் சோதிக்க, அனோட் நுழைவாயிலில் அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட நீரின் (DI) ஓட்ட விகிதம், கழிவுநீர் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் செறிவைக் குறைக்க மாறுபடும். படங்கள் 6b மற்றும் c, 200 mA/cm2 இல் அனோடில் DI ஃப்ளக்ஸின் செயல்பாடாக FE, ஃபார்மிக் அமில செறிவு மற்றும் செல் மின்னழுத்தத்தைக் காட்டுகின்றன. அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட நீர் ஓட்ட விகிதம் 3.3 mL/min இலிருந்து 25 mL/min ஆக அதிகரித்ததால், அனோடில் உள்ள ஃபார்மிக் அமில செறிவு 0.27 mol/L இலிருந்து 0.08 mol/L ஆகக் குறைந்தது. ஒப்பிடுகையில், Xia et al. 30 ஆல் முன்மொழியப்பட்ட சாண்ட்விச் கட்டமைப்பைப் பயன்படுத்தி 200 mA/cm2 இல் 1.8 mol/L என்ற ஃபார்மிக் அமில செறிவு பெறப்பட்டது. செறிவைக் குறைப்பது ஃபார்மிக் அமிலத்தின் ஒட்டுமொத்த FE ஐ மேம்படுத்துகிறது மற்றும் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் பின் பரவல் குறைவதால் கேத்தோடு pH மேலும் காரமாக மாறுவதால் H2 இன் FE ஐக் குறைக்கிறது. அதிகபட்ச DI ஓட்டத்தில் குறைக்கப்பட்ட ஃபார்மிக் அமில செறிவு ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றத்தை கிட்டத்தட்ட நீக்கியது, இதன் விளைவாக 200 mA/cm2 இல் மொத்த செல் மின்னழுத்தம் 1.7 V க்கும் குறைவாக இருந்தது. பேட்டரி வெப்பநிலையும் ஒட்டுமொத்த செயல்திறனை பாதிக்கிறது, மேலும் முடிவுகள் படம் S10 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. இருப்பினும், PCEM-அடிப்படையிலான கட்டமைப்புகள் ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றத்தைத் தடுப்பதில் ஆற்றல் செயல்திறனை கணிசமாக மேம்படுத்தலாம், இது ஃபார்மிக் அமிலத்தை நோக்கி மேம்படுத்தப்பட்ட ஹைட்ரஜன் தேர்ந்தெடுப்புடன் கூடிய அனோடிக் வினையூக்கிகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலமாகவோ அல்லது சாதன செயல்பாட்டின் மூலமாகவோ இருக்கலாம்.
a 60 °C இல் இயங்கும் செல் குறிப்பு H2 மின்முனையைப் பயன்படுத்தி செல் மின்னழுத்த முறிவு, Pt/C அனோட் மற்றும் 80 µm AEM. b அனோடிக் டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட நீரின் வெவ்வேறு ஓட்ட விகிதங்களைப் பயன்படுத்தி 200 mA/cm2 இல் சேகரிக்கப்பட்ட FE மற்றும் ஃபார்மிக் அமில செறிவுகள். c அனோட் வெவ்வேறு செறிவுகளில் ஃபார்மிக் அமிலத்தைச் சேகரிக்கும் போது, ​​செல் மின்னழுத்தம் 200 mA/cm2 ஆகும். பிழைப் பட்டைகள் மூன்று வெவ்வேறு அளவீடுகளின் நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன. d தேசிய தொழில்துறை சராசரி மின்சார விலைகளான US$0.068/kWh மற்றும் US$4.5/kg ஹைட்ரஜனைப் பயன்படுத்தி பல்வேறு டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட நீர் ஓட்ட விகிதங்களில் செயல்திறன் மூலம் பிரிக்கப்பட்ட குறைந்தபட்ச விற்பனை விலை. (*: அனோடில் ஃபார்மிக் அமிலத்தின் குறைந்தபட்ச ஆக்சிஜனேற்ற நிலை 10 MFA ஆகவும், தேசிய சராசரி தொழில்துறை மின்சார விலை $0.068/kWh ஆகவும், ஹைட்ரஜன் $4.5/kg ஆகவும் கருதப்படுகிறது. **: குறைந்தபட்ச ஆக்சிஜனேற்ற நிலை ஃபார்மிக் அமிலமாகக் கருதப்படுகிறது. அனோடில் FA இன் செறிவு 1.3 M அனோடாகவும், எதிர்பார்க்கப்படும் எதிர்கால மின்சார விலை $0.03/kWh ஆகவும், புள்ளியிடப்பட்ட கோடு 85 wt% FA இன் சந்தை விலையைக் குறிக்கிறது.
படம் 5d இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, பல்வேறு இயக்க நிலைமைகளின் கீழ் எரிபொருள் அசெம்பிளிகளின் குறைந்தபட்ச விற்பனை விலையைப் பெறுவதற்கு ஒரு தொழில்நுட்ப-பொருளாதார பகுப்பாய்வு (TEA) நடத்தப்பட்டது. TEA-க்கான முறைகள் மற்றும் பின்னணித் தரவை SI-யில் காணலாம். அதிக செல் மின்னழுத்தம் இருந்தபோதிலும், அனோட் வெளியேற்றத்தில் LC செறிவு அதிகமாக இருக்கும்போது, ​​பிரிப்புச் செலவைக் குறைப்பதன் காரணமாக எரிபொருள் அசெம்பிளியின் ஒட்டுமொத்த செலவு குறைக்கப்படுகிறது. ஃபார்மிக் அமிலத்தின் அனோடிக் ஆக்சிஜனேற்றத்தை வினையூக்கி மேம்பாடு அல்லது எலக்ட்ரோடு தொழில்நுட்பம் மூலம் குறைக்க முடிந்தால், குறைந்த செல் மின்னழுத்தம் (1.66 V) மற்றும் கழிவுநீரில் அதிக FA செறிவு (10 M) ஆகியவற்றின் கலவையானது மின்வேதியியல் FA உற்பத்தியின் செலவை 0.74 US டாலர்கள்/கிலோ (மின்சாரத்தின் அடிப்படையில்) $0.068/kWh மற்றும் $4.5/kg ஹைட்ரஜனாகக் குறைக்கும். மேலும், புதுப்பிக்கத்தக்க மின்சாரத்திற்கான திட்டமிடப்பட்ட எதிர்கால செலவு $0.03/kWh மற்றும் ஹைட்ரஜன் $2.3/kg உடன் இணைந்தால், FA கழிவுநீர் இலக்கு 1.3 மில்லியனாகக் குறைக்கப்படுகிறது, இதன் விளைவாக இறுதி திட்டமிடப்பட்ட உற்பத்தி செலவு US$0.66/kg43 ஆகும். இது தற்போதைய சந்தை விலைகளுடன் ஒப்பிடத்தக்கது. எனவே, எலக்ட்ரோடு பொருட்கள் மற்றும் கட்டமைப்புகளில் கவனம் செலுத்தும் எதிர்கால முயற்சிகள், குறைந்த செல் மின்னழுத்தங்களில் அதிக LC செறிவுகளை உருவாக்க செயல்பட அனுமதிக்கும் அதே வேளையில், அனோடைசேஷனை மேலும் குறைக்கலாம்.
சுருக்கமாக, ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கு CO2 குறைப்புக்கான பல பூஜ்ஜிய-இடைவெளி MEA கட்டமைப்புகளை நாங்கள் ஆய்வு செய்துள்ளோம், மேலும் இதன் விளைவாக வரும் ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கான சவ்வு நிறை பரிமாற்ற இடைமுகத்தை எளிதாக்க துளையிடப்பட்ட கேஷன் பரிமாற்ற சவ்வு (PECM) உட்பட ஒரு கூட்டு முன்னோக்கி-சார்புடைய இருமுனை சவ்வு கொண்ட ஒரு கட்டமைப்பை முன்மொழிந்துள்ளோம். இந்த உள்ளமைவு 0.25 M வரை செறிவுகளில் (3.3 mL/min என்ற அனோட் DI ஓட்ட விகிதத்தில்) >96% ஃபார்மிக் அமிலத்தை உருவாக்குகிறது. அதிக DI ஓட்ட விகிதங்களில் (25 mL/min), இந்த உள்ளமைவு 25 cm2 செல் பகுதியைப் பயன்படுத்தி 1.7 V இல் 200 mA/cm2 இன் >80% FE மின்னோட்ட அடர்த்தியை வழங்கியது. மிதமான அனோடிக் DI விகிதங்களில் (10 mL/min), PECM உள்ளமைவு 200 mA/cm2 இல் 55 மணிநேர சோதனைக்கு நிலையான மின்னழுத்தத்தையும் உயர் ஃபார்மிக் அமில FE நிலைகளையும் பராமரித்தது. வணிக ரீதியாக கிடைக்கக்கூடிய வினையூக்கிகள் மற்றும் பாலிமெரிக் சவ்வு பொருட்களால் அடையப்படும் உயர் நிலைத்தன்மை மற்றும் தேர்ந்தெடுப்புத்தன்மையை உகந்த மின்னாற்பகுப்பாளர்களுடன் இணைப்பதன் மூலம் மேலும் மேம்படுத்தலாம். அடுத்தடுத்த பணிகள், ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றத்தைக் குறைக்க இயக்க நிலைமைகள், அனோட் வினையூக்கி தேர்வு மற்றும் MEA அமைப்பை சரிசெய்வதில் கவனம் செலுத்தும், இதன் விளைவாக குறைந்த செல் மின்னழுத்தங்களில் அதிக செறிவூட்டப்பட்ட கழிவுநீர் கிடைக்கும். ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கு கார்பன் டை ஆக்சைடைப் பயன்படுத்துவதற்கான எளிய அணுகுமுறை, அனோலைட் மற்றும் கேத்தோலைட் அறைகள், சாண்ட்விச் கூறுகள் மற்றும் சிறப்புப் பொருட்களின் தேவையை நீக்குகிறது, இதன் மூலம் செல் ஆற்றல் செயல்திறனை அதிகரிக்கிறது மற்றும் அமைப்பின் சிக்கலைக் குறைக்கிறது, இதனால் அளவை அதிகரிப்பதை எளிதாக்குகிறது. முன்மொழியப்பட்ட உள்ளமைவு தொழில்நுட்ப ரீதியாகவும் பொருளாதார ரீதியாகவும் சாத்தியமான CO2 மாற்று ஆலைகளின் எதிர்கால வளர்ச்சிக்கு ஒரு தளத்தை வழங்குகிறது.
வேறுவிதமாகக் கூறப்படாவிட்டால், அனைத்து வேதியியல் தரப் பொருட்களும் கரைப்பான்களும் பெறப்பட்டபடி பயன்படுத்தப்பட்டன. பிஸ்மத் ஆக்சைடு வினையூக்கி (Bi2O3, 80 nm) US Research Nanomaterals, Inc. இலிருந்து வாங்கப்பட்டது. பாலிமர் பவுடர் (AP1-CNN8-00-X) IONOMR ஆல் வழங்கப்பட்டது. Omnisolv® பிராண்ட் N-propanol (nPA) மற்றும் அல்ட்ராப்யூர் நீர் (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 நீர் சுத்திகரிப்பு அமைப்பு) ஆகியவை மில்லிபூர் சிக்மாவிலிருந்து வாங்கப்பட்டன. ACS சான்றளிக்கப்பட்ட மெத்தனால் மற்றும் அசிட்டோன் முறையே VWR கெமிக்கல்ஸ் BDH® மற்றும் ஃபிஷர் கெமிக்கல் ஆகியவற்றிலிருந்து வாங்கப்படுகின்றன. பாலிமர் பவுடர் 6.5 wt.% செறிவு கொண்ட பாலிமர் சிதறலைப் பெற எடையில் 1:1 என்ற விகிதத்தில் அசிட்டோன் மற்றும் மெத்தனால் கலவையுடன் கலக்கப்பட்டது. 30 மில்லி ஜாடியில் 20 கிராம் Bi2O3, அல்ட்ராப்யூர் நீர், nPA மற்றும் அயனோமர் சிதறலைக் கலந்து வினையூக்க மை தயாரிக்கவும். கலவையில் 30 wt.% வினையூக்கி, அயனோமர் மற்றும் வினையூக்கியின் நிறை விகிதம் 0.02 மற்றும் ஆல்கஹால் மற்றும் நீரின் நிறை விகிதம் 2:3 (40 wt.% nPA) ஆகியவை இருந்தன. கலப்பதற்கு முன், 70 கிராம் க்ளென் மில்ஸ் 5 மிமீ சிர்கோனியா அரைக்கும் பொருள் கலவையில் சேர்க்கப்பட்டது. மாதிரிகள் ஒரு ஃபிஷர்பிரான்ட்™ டிஜிட்டல் பாட்டில் ரோலரில் 80 rpm இல் 26 மணி நேரம் வைக்கப்பட்டன. மை பயன்படுத்துவதற்கு முன் 20 நிமிடங்கள் அப்படியே இருக்கட்டும். 22°C இல் 1/2″ x 16″ ஆய்வக வயர்வுண்ட் ரீஃபில் (RD ஸ்பெஷாலிட்டீஸ் - 60 மில் விட்டம்) ஐப் பயன்படுத்தி ஒரு குவால்டெக் தானியங்கி அப்ளிகேட்டரில் (QPI-AFA6800) Bi2O3 மை பயன்படுத்தப்பட்டது. 7.5 x 8 அங்குல சிக்ராசெட் 39 BB கார்பன் வாயு பரவல் கேரியரில் (எரிபொருள் செல் சேமிப்பு) 55 மிமீ/வினாடி நிலையான சராசரி வேகத்தில் தடி படிவு மூலம் 5 மில்லி வினையூக்கி மை பயன்படுத்தப்பட்டது. இந்த பூசப்பட்ட மின்முனைகளை ஒரு அடுப்புக்கு மாற்றி 80 °C இல் உலர்த்தவும். GDE பூச்சுகளின் கம்பி பூச்சு செயல்முறை மற்றும் படங்கள் படங்கள் S4a மற்றும் b இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. ஒரு எக்ஸ்-ரே ஃப்ளோரசன்ஸ் (XRF) கருவி (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) பூசப்பட்ட GDE ஏற்றுதல் 3.0 மிகி Bi2O3/cm2 என்பதை உறுதிப்படுத்தியது.
அயனி பரிமாற்ற சவ்வு (AEM) மற்றும் துளையிடப்பட்ட CEM ஆகியவற்றைக் கொண்ட கூட்டு சவ்வு உள்ளமைவுகளுக்கு. 15 µm பெயரளவு தடிமன் கொண்ட Nafion NC700 (Chemours, USA) CEM அடுக்காகப் பயன்படுத்தப்பட்டது. அனோடிக் வினையூக்கி 0.83 அயனோமர் முதல் கார்பன் விகிதம் மற்றும் 25 செ.மீ2 கவரேஜ் பரப்பளவில் FEM மீது நேரடியாக தெளிக்கப்பட்டது. 0.25 மிகி Pt/cm2 ஏற்றுதலுடன் கூடிய பெரிய மேற்பரப்பு (50 wt.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA விலைமதிப்பற்ற உலோகம்) கொண்ட ஆதரிக்கப்படும் பிளாட்டினம் அனோட் வினையூக்கியாகப் பயன்படுத்தப்பட்டது. வினையூக்கியின் அனோட் அடுக்குக்கு அயனோமராக Nafion D2020 (அயன் பவர், USA) பயன்படுத்தப்பட்டது. CEM படலத்தில் 3 மிமீ இடைவெளியில் இணையான கோடுகளை வெட்டுவதன் மூலம் CEM துளையிடல் செய்யப்படுகிறது. துளையிடல் செயல்முறையின் விவரங்கள் படங்கள் S12b மற்றும் c இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. எக்ஸ்-ரே கம்ப்யூட்டட் டோமோகிராஃபியைப் பயன்படுத்தி, படம் S12d மற்றும் e இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, துளையிடும் இடைவெளி 32.6 μm என்பது உறுதிப்படுத்தப்பட்டது. செல் அசெம்பிளியின் போது, ​​வினையூக்கி பூசப்பட்ட துளையிடப்பட்ட CEM சவ்வு 25 செ.மீ2 டோரே பேப்பரில் (5 wt% PTFE சிகிச்சை, எரிபொருள் செல் ஸ்டோர், USA) வைக்கப்பட்டது. 25, 40 அல்லது 80 μm தடிமன் கொண்ட ஒரு AEM சவ்வு (PiperION, Versogen, USA) CEM இன் மேல் வைக்கப்பட்டு பின்னர் GDE கேத்தோடில் வைக்கப்பட்டது. AEM சவ்வு முழு ஓட்டப் புலத்தையும் மூட 7.5 × 7.5 செ.மீ துண்டுகளாக வெட்டப்பட்டு, அசெம்பிளி செய்வதற்கு முன் 1 M பொட்டாசியம் ஹைட்ராக்சைடு கரைசலில் ஒரே இரவில் ஊறவைக்கப்பட்டது. அனோட் மற்றும் கேத்தோடு இரண்டும் 18% உகந்த GDE சுருக்கத்தை அடைய போதுமான தடிமனான PTFE ஸ்பேசர்களைப் பயன்படுத்துகின்றன. பேட்டரி அசெம்பிளி செயல்முறையின் விவரங்கள் படம் S12a இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.
சோதனையின் போது, ​​கூடியிருந்த செல் 60 °C (வெப்பநிலை சார்பு ஆய்வுகளுக்கு 30, 60, மற்றும் 80 °C) இல் பராமரிக்கப்பட்டது, அனோடுக்கு 0.8 L/நிமிடம் ஹைட்ரஜன் வாயுவும், கேத்தோடுக்கு 2 L/நிமிடம் கார்பன் டை ஆக்சைடும் வழங்கப்பட்டது. அனோடிக் மற்றும் கத்தோடிக் காற்று நீரோடைகள் இரண்டும் 100% ஒப்பு ஈரப்பதத்திலும் 259 kPa முழுமையான கத்தோடிக் அழுத்தத்திலும் ஈரப்பதமாக்கப்பட்டன. செயல்பாட்டின் போது, ​​கத்தோட் வாயு நீரோட்டம் 2 mL/நிமிடம் என்ற விகிதத்தில் 1 M KOH கரைசலுடன் கலக்கப்பட்டு, கத்தோட் வினையூக்கி படுக்கை மற்றும் அயனி கடத்துதலை ஊக்குவிக்கப்பட்டது. அனோடில் உள்ள ஃபார்மிக் அமிலத்தை அகற்ற 10 மில்லி/நிமிடம் என்ற விகிதத்தில் அனோட் வாயு நீரோட்டத்தை அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட தண்ணீருடன் கலக்கவும். சாதன உள்ளீடுகள் மற்றும் வெளியீடுகளின் விவரங்கள் படம் S5 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. கத்தோட் வெளியேற்ற வாயு CO2 ஐக் கொண்டுள்ளது மற்றும் CO மற்றும் H2 ஐ உருவாக்குகிறது. நீராவி ஒரு மின்தேக்கி (2°C இல் குறைந்த வெப்பநிலை வெப்பப் பரிமாற்றி) மூலம் அகற்றப்படுகிறது. மீதமுள்ள வாயு வாயு நேர பகுப்பாய்விற்காக சேகரிக்கப்படும். திரவத்தை வாயுவிலிருந்து பிரிக்க அனோடு ஓட்டம் ஒரு மின்தேக்கி வழியாகவும் செல்லும். கழிவுநீர் சுத்தமான குப்பிகளில் சேகரிக்கப்பட்டு, உற்பத்தி செய்யப்படும் ஃபார்மிக் அமிலத்தை அளவிட திரவ காலவரிசையைப் பயன்படுத்தி பகுப்பாய்வு செய்யப்படும். கார்மி பொட்டென்ஷியோஸ்டாட்டைப் பயன்படுத்தி மின்வேதியியல் சோதனைகள் செய்யப்பட்டன (குறிப்பு எண் 30K, கேம்ரி, அமெரிக்கா). துருவமுனைப்பு வளைவை அளவிடுவதற்கு முன், 2.5 mA/cm2 ஸ்கேன் வீதத்துடன் நேரியல் வோல்டாமெட்ரியைப் பயன்படுத்தி 0 முதல் 250 mA/cm2 வரையிலான வரம்பில் செல் 4 முறை கண்டிஷனிங் செய்யப்பட்டது. கேத்தோடு வாயு மற்றும் அனோலைட் திரவத்தை மாதிரியாக்குவதற்கு முன்பு, செல் ஒரு குறிப்பிட்ட மின்னோட்ட அடர்த்தியில் 4 நிமிடங்கள் வைத்திருந்து கால்வனோஸ்டேடிக் பயன்முறையில் துருவமுனைப்பு வளைவுகள் பெறப்பட்டன.
கேத்தோடு மற்றும் அனோடிக் ஆற்றல்களைப் பிரிக்க MEA இல் ஒரு ஹைட்ரஜன் குறிப்பு மின்முனையைப் பயன்படுத்துகிறோம். குறிப்பு மின்முனையின் அமைப்பு படம் S6a இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. MEA சவ்வு மற்றும் குறிப்பு மின்முனையை இணைக்க ஒரு நாஃபியன் சவ்வு (நாஃபியன் 211, அயன்பவர், அமெரிக்கா) ஒரு அயனி பாலமாகப் பயன்படுத்தப்பட்டது. நாஃபியன் பட்டையின் ஒரு முனை 0.25 மி.கி Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA விலைமதிப்பற்ற உலோகங்கள்) ஏற்றப்பட்ட 1 செ.மீ2 வாயு பரவல் மின்முனையுடன் (GDE) இணைக்கப்பட்டது. 29BC கார்பன் காகிதத்தில் (எரிபொருள் செல் கடை, அமெரிக்கா) தெளிக்கப்பட்டது. சிறப்பு பாலிதெரெதெர்கெட்டோன் (PEEK) வன்பொருள் வாயு சீல் செய்வதற்கும் GDE மற்றும் நாஃபியன் பட்டைகளுக்கு இடையில் நல்ல தொடர்பை உறுதி செய்வதற்கும், குறிப்பு மின்முனையை எரிபொருள் செல் வன்பொருளுடன் இணைப்பதற்கும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. நாஃபியன் பட்டையின் மறுமுனை CEM பேட்டரியின் நீட்டிய விளிம்புடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளது. படம் S6b, MEA உடன் ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட குறிப்பு மின்முனையின் குறுக்குவெட்டைக் காட்டுகிறது.
வெளியேற்ற வாயு மின்தேக்கி மற்றும் வாயு-திரவ பிரிப்பான் வழியாகச் சென்ற பிறகு, கேத்தோடில் இருந்து வாயு மாதிரிகள் எடுக்கப்படுகின்றன. சேகரிக்கப்பட்ட வாயு 4900 மைக்ரோ ஜிசி (10 μm மூலக்கூறு சல்லடை, அஜிலன்ட்) ஐப் பயன்படுத்தி குறைந்தது மூன்று முறை பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டது. மாதிரிகள் மந்தமான பல அடுக்கு அலுமினியத் தகடு வாயு மாதிரி பைகளில் சூப்பல்™ (சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்) ஒரு குறிப்பிட்ட காலத்திற்கு (30 வினாடிகள்) சேகரிக்கப்பட்டு, சேகரிக்கப்பட்ட இரண்டு மணி நேரத்திற்குள் மைக்ரோகாஸ் குரோமடோகிராஃபில் கைமுறையாக செருகப்பட்டன. ஊசி வெப்பநிலை 110°C இல் அமைக்கப்பட்டது. கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) மற்றும் ஹைட்ரஜன் (H2) ஆகியவை சூடான (105°C) அழுத்தப்பட்ட (28 psi) 10 மீ MS5A நெடுவரிசையில் ஆர்கானை (மேத்சன் வாயு-மேத்சன் தூய்மை) கேரியர் வாயுவாகப் பயன்படுத்தி பிரிக்கப்பட்டன. இந்த இணைப்புகள் உள்ளமைக்கப்பட்ட வெப்பக் கடத்துத்திறன் கண்டறிதலை (TCD) பயன்படுத்தி கண்டறியப்படுகின்றன. ஜிசி குரோமடோகிராம்கள் மற்றும் CO மற்றும் H2 அளவுத்திருத்த வளைவுகள் படம் S7 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. திரவ ஃபார்மிக் அமில மாதிரிகள் ஒரு குறிப்பிட்ட நேரத்திற்கு (120 வினாடிகள்) அனோடில் இருந்து சேகரிக்கப்பட்டு, 0.22 μm PTFE சிரிஞ்ச் வடிகட்டியைப் பயன்படுத்தி 2 மில்லி குப்பிகளாக வடிகட்டப்பட்டன. குப்பிகளில் உள்ள திரவப் பொருட்கள் அஜிலன்ட் 1260 இன்ஃபினிட்டி II பயோஇனெர்ட் உயர்-செயல்திறன் திரவ குரோமடோகிராபி (HPLC) அமைப்பைப் பயன்படுத்தி பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டன, இதில் 20 μl மாதிரி ஒரு ஆட்டோசாம்ப்ளர் (G5668A) மூலம் 4 mM சல்பூரிக் அமிலம் (H2SO4) மொபைல் கட்டத்துடன் 0.6 மில்லி/நிமிடம் (குவாட்டர்னரி பம்ப் G5654A) ஓட்ட விகிதத்தில் செலுத்தப்பட்டது. தயாரிப்புகள் ஒரு சூடான (35°C, நெடுவரிசை அடுப்பு G7116A) அமினெக்ஸ் HPX-87H 300 × 7.8 மிமீ (பயோ-ராட்) இல் மைக்ரோ-கார்டு கேஷன் H பாதுகாப்பு நெடுவரிசையால் பிரிக்கப்பட்டன. ஃபார்மிக் அமிலம் ஒரு டையோடு வரிசை கண்டறிதலை (DAD) பயன்படுத்தி கண்டறியப்பட்டது. 210 nm அலைநீளம் மற்றும் 4 nm அலைவரிசையில். HPL குரோமடோகிராம் மற்றும் ஃபார்மிக் அமில நிலையான அளவுத்திருத்த வளைவு படம் S7 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.
வாயுப் பொருட்கள் (CO மற்றும் H2) FE பின்வரும் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடப்படுகின்றன, மேலும் வாயுவின் மொத்த மோல்கள் இலட்சிய வாயு சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடப்படுகின்றன:
அவற்றில்: \({n}_{i}\): ஒரு மின்வேதியியல் வினையில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை. \(F\): ஃபாரடேயின் மாறிலி. \({C}_{i}\): HPLC திரவ தயாரிப்பு செறிவு. \(V\): ஒரு நிலையான நேரத்தில் சேகரிக்கப்பட்ட திரவ மாதிரியின் அளவு t. \(j\): மின்னோட்ட அடர்த்தி. \(A\): மின்முனையின் வடிவியல் பரப்பளவு (25 செ.மீ2). \(t\): மாதிரி எடுக்கும் கால அளவு. \(P\): முழுமையான அழுத்தம். \({x}_{i}\): GC ஆல் தீர்மானிக்கப்படும் வாயுவின் மோல் சதவீதம். \(R\): வாயு மாறிலி. \(T\): வெப்பநிலை.
தூண்டல் ரீதியாக இணைக்கப்பட்ட பிளாஸ்மா அணு உமிழ்வு நிறமாலை (ICP-OES) ஐப் பயன்படுத்தி அனோடிக் கேஷன்களின் செறிவு அளவிடப்பட்டது. அனோடில் கசிந்து அல்லது பரவக்கூடிய கேஷன்களில் Ti, Pt, Bi மற்றும் K ஆகியவை அடங்கும். K தவிர, மற்ற அனைத்து கேஷன்களும் கண்டறிதல் வரம்பிற்குக் கீழே இருந்தன. கரைசலில் அயனிகளை உருவாக்குகின்றன, இதனால் அனோடை புரோட்டான்கள் அல்லது பிற கேஷன்களுடன் இணைக்கிறது. எனவே, ஃபார்மிக் அமிலத்தின் தூய்மையை இவ்வாறு கணக்கிடலாம்
ஃபார்மேட்/FA உற்பத்தி என்பது ஒரு குறிப்பிட்ட MEA உள்ளமைவைப் பயன்படுத்தி நுகரப்படும் ஒரு kWh மின்சாரத்திற்கு உற்பத்தி செய்யப்படும் FA அளவை mol/kWh இல் குறிக்கிறது. இது குறிப்பிட்ட இயக்க நிலைமைகளின் கீழ் மின்னோட்ட அடர்த்தி, செல் மின்னழுத்தம் மற்றும் ஃபாரடே செயல்திறன் ஆகியவற்றின் அடிப்படையில் கணக்கிடப்படுகிறது.
ஒட்டுமொத்த நிறை சமநிலையின் அடிப்படையில் அனோடில் ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யப்பட்ட ஃபார்மிக் அமிலத்தின் அளவைக் கணக்கிடுங்கள். கேத்தோடில் மூன்று போட்டி எதிர்வினைகள் நிகழ்கின்றன: ஹைட்ரஜன் பரிணாமம், CO2 ஐ CO ஆகக் குறைத்தல் மற்றும் CO2 ஐ ஃபார்மிக் அமிலமாகக் குறைத்தல். அன்டனில் ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்ற செயல்முறை இருப்பதால், ஃபார்மிக் அமிலம் FE ஐ இரண்டு பகுதிகளாகப் பிரிக்கலாம்: ஃபார்மிக் அமில சேகரிப்பு மற்றும் ஃபார்மிக் அமில ஆக்சிஜனேற்றம். ஒட்டுமொத்த நிறை சமநிலையை இவ்வாறு எழுதலாம்:
HPLC ஆல் சேகரிக்கப்பட்ட ஃபார்மிக் அமிலம், ஹைட்ரஜன் மற்றும் CO ஆகியவற்றின் அளவை அளவிட GC ஐப் பயன்படுத்தினோம். துணை படம் S5 இல் காட்டப்பட்டுள்ள அமைப்பைப் பயன்படுத்தி ஃபார்மிக் அமிலத்தின் பெரும்பகுதி அனோடில் இருந்து சேகரிக்கப்பட்டது என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும். கேத்தோடு அறையிலிருந்து சேகரிக்கப்பட்ட ஃபார்மேட்டின் அளவு மிகக் குறைவு, தோராயமாக இரண்டு ஆர்டர்கள் அளவு குறைவாக உள்ளது, மேலும் SC இன் மொத்த அளவில் 0.5% க்கும் குறைவாக உள்ளது.
இங்கு பயன்படுத்தப்படும் தொடர்ச்சியான போக்குவரத்து மாதிரி, இதே போன்ற அமைப்புகளில் முந்தைய வேலைகளை அடிப்படையாகக் கொண்டது34. பாய்சன்-நெர்ஸ்ட்-பிளாங்க் (PNP) சமன்பாடுகளின் இணைக்கப்பட்ட அமைப்பு, மின்னணு மற்றும் அயனி கடத்தும் கட்டங்களில் நீர் செறிவு மற்றும் மின்னியல் திறனை தீர்மானிக்கப் பயன்படுகிறது. அடிப்படை சமன்பாடுகள் மற்றும் மாதிரி வடிவவியலின் விரிவான கண்ணோட்டம் SI இல் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.
இந்த அமைப்பு எட்டு நீர்வாழ் பொருட்களின் செறிவை தீர்மானிக்கிறது (\({{{{{\rm{C}}}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2 \left ({{{{{\rm{aq}}}}}}}\right)}\), \({{{{{\rm{H}}}}}}}^{+ } ), \ ({{{{\rm{O}}}}}}}}{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{{{{{\rm{HCO}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{\rm{HCOOH}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}^{- }) மற்றும் \({{{{\rm{K}}}}}^{+}\)), அயனி கடத்தும் கட்டத்தில் (\({\phi }_{I}})) மற்றும் அனோடிக் மற்றும் கத்தோடிக் எலக்ட்ரான் கடத்துத்திறன் ஆகியவற்றில் மின்னியல் ஆற்றல். கட்டங்களில் (\({\phi }_{A}\) மற்றும் \({\phi }_{C}\) முறையே மின்னியல் ஆற்றல்கள்). அதற்கு பதிலாக, உள்ளூர் மின் நடுநிலைமை அல்லது மின்னூட்ட விநியோக செயல்பாடுகள் எதுவும் உணரப்படவில்லை, விண்வெளி மின்னூட்டப் பகுதி நேரடியாக பாய்சனின் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி தீர்க்கப்படுகிறது; இந்த அணுகுமுறை CEM|AEM, CEM|துளை மற்றும் AEM|துளை இடைமுகங்களில் டோனன் விரட்டும் விளைவுகளை நேரடியாக மாதிரியாக்க அனுமதிக்கிறது. கூடுதலாக, வினையூக்கியின் அனோடிக் மற்றும் கத்தோடிக் அடுக்குகளில் மின்னூட்டப் போக்குவரத்தை விவரிக்க நுண்துளை மின்முனை கோட்பாடு (PET) பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஆசிரியர்களின் சிறந்த அறிவின்படி, இந்த வேலை பல விண்வெளி மின்னூட்டப் பகுதிகளைக் கொண்ட அமைப்புகளில் PET இன் முதல் பயன்பாட்டைக் குறிக்கிறது.
GDE BOT மற்றும் EOT கேத்தோடு மாதிரிகள் 8.0 keV எக்ஸ்-ரே மூலத்துடன் கூடிய Zeiss Xradia 800 Ultra, உறிஞ்சுதல் மற்றும் பரந்த புல முறைகள் மற்றும் பட இணைவு ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்தி சோதிக்கப்பட்டன. 50 வினாடிகள் வெளிப்பாடு நேரத்துடன் -90° முதல் 90° வரை 901 படங்கள் சேகரிக்கப்பட்டன. 64 nm வோக்சல் அளவு கொண்ட பின்புற ப்ரொஜெக்ஷன் வடிகட்டியைப் பயன்படுத்தி மறுகட்டமைப்பு செய்யப்பட்டது. சிறப்பாக எழுதப்பட்ட குறியீட்டைப் பயன்படுத்தி பிரிவு மற்றும் துகள் அளவு விநியோகத்தின் பகுப்பாய்வு மேற்கொள்ளப்பட்டது.
எலக்ட்ரான் நுண்ணிய குணாதிசயப்படுத்தல் என்பது, வைரக் கத்தியைப் பயன்படுத்தி மிக மெல்லிய பிரிவிற்குத் தயாராக, சோதனை MEAக்களை எபோக்சி பிசினில் உட்பொதிப்பதை உள்ளடக்குகிறது. ஒவ்வொரு MEA-வின் குறுக்குவெட்டும் 50 முதல் 75 nm தடிமனாக வெட்டப்பட்டது. டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (STEM) மற்றும் ஆற்றல்-பரவக்கூடிய எக்ஸ்-ரே ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (EDS) அளவீடுகளை ஸ்கேன் செய்வதற்கு ஒரு டாலோஸ் F200X டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (தெர்மோ ஃபிஷர் சயின்டிஃபிக்) பயன்படுத்தப்பட்டது. நுண்ணோக்கி 4 சாளரமற்ற SDD டிடெக்டர்களுடன் கூடிய EDS சூப்பர்-எக்ஸ் அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது மற்றும் 200 kV இல் இயங்குகிறது.
40 kV மற்றும் 40 mA இல் இயங்கும் Ni-வடிகட்டப்பட்ட Cu Kα கதிர்வீச்சுடன் கூடிய ப்ரூக்கர் அட்வான்ஸ் D8 பவுடர் எக்ஸ்-ரே டிஃப்ராக்டோமீட்டரில் பவுடர் எக்ஸ்-ரே டிஃப்ராக்டோமீட்டரில் பவுடர் எக்ஸ்-ரே டிஃப்ராக்ரோ வடிவங்கள் (PXRD) பெறப்பட்டன. ஸ்கேனிங் வரம்பு 10° முதல் 60° வரை, படி அளவு 0.005° மற்றும் தரவு கையகப்படுத்தல் வேகம் ஒரு படிக்கு 1 வினாடி ஆகும்.
Bi2O3 Bi L3 வினையூக்கியின் விளிம்பில் உள்ள RAS நிறமாலை, வீட்டில் தயாரிக்கப்பட்ட கலத்தைப் பயன்படுத்தி ஆற்றலின் செயல்பாடாக அளவிடப்பட்டது. Bi2O3 வினையூக்கி அயனோமர் மை 26.1 மிகி Bi2O3 ஐ 156.3 μL அயனோமர் கரைசலுடன் (6.68%) கலந்து 1 M KOH, நீர் (157 μL) மற்றும் ஐசோபிரைல் ஆல்கஹால் (104 μL) ஆகியவற்றுடன் நடுநிலையாக்கப்பட்டு அயனோமர் மை பெறப்பட்டது. வினையூக்கி குணகம் 0.4 ஆகும். Bi2O3 வினையூக்கி ஏற்றுதல் 0.5 மிகி/செ.மீ2 அடையும் வரை மை செவ்வகப் புள்ளிகளில் (10×4 மிமீ) கிராஃபீன் தாள்களில் பயன்படுத்தப்பட்டது. இந்த பகுதிகளை எலக்ட்ரோலைட்டிலிருந்து தனிமைப்படுத்த மீதமுள்ள கிராஃபீன் தாள் கேப்டனுடன் பூசப்பட்டுள்ளது. வினையூக்கி-பூசப்பட்ட கிராஃபீன் தாள் இரண்டு PTFE களுக்கு இடையில் செருகப்பட்டு, திருகுகள் மூலம் செல் உடலில் (PEEK) பாதுகாக்கப்பட்டது, படம் S8. Hg/HgO (1 M NaOH) குறிப்பு மின்முனையாகப் பயன்படுத்தப்பட்டது, மற்றும் கார்பன் காகிதம் எதிர் மின்முனையாகப் பயன்படுத்தப்பட்டது. Hg/HgO குறிப்பு மின்முனையானது, ஹைட்ரஜன்-நிறைவுற்ற 0.1 M KOH இல் மூழ்கடிக்கப்பட்ட பிளாட்டினம் கம்பியைப் பயன்படுத்தி அளவீடு செய்யப்பட்டது, இதன் மூலம் அனைத்து அளவிடப்பட்ட ஆற்றல்களையும் மீளக்கூடிய ஹைட்ரஜன் மின்முனை (RHE) அளவுகோலாக மாற்றியது. 0.1 M KOH இல் மூழ்கடிக்கப்பட்ட Bi2O3/கிராஃபீன் தாள் வேலை செய்யும் மின்முனையின் ஆற்றலைக் கண்காணிப்பதன் மூலம் XRD நிறமாலை பெறப்பட்டது, இது 30 °C க்கு வெப்பப்படுத்தப்பட்டது. மின்முனையானது பேட்டரியில் சுழல்கிறது, மின்குமிழ்கள் உருவாகும்போது எலக்ட்ரோலைட் வினையூக்கி அடுக்கைத் தொடர்புகொள்வதை உறுதிசெய்ய, கலத்தின் அடிப்பகுதியில் எலக்ட்ரோலைட் உள்ளீடு மற்றும் மேலே உள்ள வெளியேற்றத்துடன். வேலை செய்யும் மின்முனை ஆற்றலைக் கட்டுப்படுத்த CH கருவிகள் 760e பொட்டென்ஷியோஸ்டாட் பயன்படுத்தப்பட்டது. RHE ஐப் பொறுத்து இந்த ஆற்றல் வரிசை ஒரு திறந்த சுற்று ஆற்றல் ஆகும்: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 மற்றும் +700 mV. அனைத்து iR ஆற்றல்களும் சரிசெய்யப்பட்டுள்ளன.
Bi L3 விளிம்பு (Bi உலோகத்திற்கு ~13424 eV) எக்ஸ்-கதிர் உறிஞ்சுதல் நுண் அமைப்பு (XAFS) நிறமாலை, சேனல் 10-ID, மேம்பட்ட ஃபோட்டான் மூல (APS), ஆர்கோன் தேசிய ஃப்ளோரசன்ஸ் ஆய்வகத்தில் செய்யப்பட்டது. தேசிய மாதிரி அளவீட்டு ஆய்வகம். எக்ஸ்-கதிர் ஆற்றலை சரிசெய்ய திரவ நைட்ரஜனுடன் குளிரூட்டப்பட்ட இரண்டு-படிக Si(111) மோனோக்ரோமேட்டர் பயன்படுத்தப்பட்டது, மேலும் ஹார்மோனிக் உள்ளடக்கத்தை குறைக்க ரோடியம்-பூசப்பட்ட கண்ணாடி பயன்படுத்தப்பட்டது. ஸ்கேன் ஆற்றல்கள் 13200 முதல் 14400 eV வரை வேறுபடுகின்றன, மேலும் வடிகட்டிகள் அல்லது சோலர் பிளவுகள் இல்லாமல் 5 × 5 சிலிக்கான் பின் டையோடு வரிசையைப் பயன்படுத்தி ஒளிரும் தன்மை அளவிடப்படுகிறது. இரண்டாவது வழித்தோன்றலின் பூஜ்ஜிய கடக்கும் ஆற்றல் Pt படலத்தின் L2 விளிம்பு வழியாக 13271.90 eV இல் அளவீடு செய்யப்படுகிறது. மின்வேதியியல் கலத்தின் தடிமன் காரணமாக, குறிப்பு தரநிலையின் நிறமாலையை ஒரே நேரத்தில் அளவிட முடியவில்லை. இவ்வாறு, சோதனை முழுவதும் மீண்டும் மீண்டும் செய்யப்படும் அளவீடுகளின் அடிப்படையில், ஸ்கேன்-டு-ஸ்கேன் நிகழ்வு எக்ஸ்-கதிர் ஆற்றலில் கணக்கிடப்பட்ட மாற்றம் ±0.015 eV ஆகும். Bi2O3 அடுக்கின் தடிமன், நிகழ்வு கற்றை மற்றும் கண்டுபிடிப்பாளருடன் தொடர்புடைய ஒரு குறிப்பிட்ட அளவிலான ஃப்ளோரசன்ஸை சுயமாக உறிஞ்சுவதற்கு வழிவகுக்கிறது; மின்முனைகள் நிகழ்வு கற்றை மற்றும் கண்டுபிடிப்பாளருடன் தொடர்புடைய ஒரு நிலையான நோக்குநிலையைப் பராமரிக்கின்றன, இதனால் அனைத்து ஸ்கேன்களும் கிட்டத்தட்ட ஒரே மாதிரியாகின்றன. அதீனா மென்பொருளின் (பதிப்பு 0.9.26) நேரியல் சேர்க்கை பொருத்துதல் வழிமுறையைப் பயன்படுத்தி Bi மற்றும் Bi2O3 தரநிலைகளின் XANES பகுதியுடன் ஒப்பிடுவதன் மூலம் பிஸ்மத்தின் ஆக்சிஜனேற்ற நிலை மற்றும் வேதியியல் வடிவத்தை தீர்மானிக்க அருகிலுள்ள புல XAFS நிறமாலை பயன்படுத்தப்பட்டது. குறியீடு IFEFFIT 44 மூலம்.
இந்தக் கட்டுரையில் உள்ள புள்ளிவிவரங்களை ஆதரிக்கும் தரவுகளும், இந்த ஆய்வின் பிற முடிவுகளும், தொடர்புடைய ஆசிரியரிடமிருந்து நியாயமான கோரிக்கையின் பேரில் கிடைக்கின்றன.
கிராண்டால் பி.எஸ்., பிரிக்ஸ் டி., வெபர் ஆர்.எஸ். மற்றும் ஜியாவோ எஃப். பசுமை ஊடக விநியோகச் சங்கிலிகளின் தொழில்நுட்ப-பொருளாதார மதிப்பீடு H2. எரிசக்தி எரிபொருள்கள் 37, 1441–1450 (2023).
யூனாஸ் எம், ரெசகாசெமி எம், அர்பாப் எம்எஸ், ஷா ஜே மற்றும் ரெஹ்மான் வி. கிரீன் ஹைட்ரஜன் சேமிப்பு மற்றும் விநியோகம்: மிகவும் செயலில் உள்ள ஒரே மாதிரியான மற்றும் பன்முகத்தன்மை கொண்ட வினையூக்கிகளைப் பயன்படுத்தி ஃபார்மிக் அமிலத்தின் ஹைட்ரஜனேற்றம். சர்வதேசத்தன்மை. ஜே. கிட்ரோக். எனர்ஜி 47, 11694–11724 (2022).
நீ, ஆர். மற்றும் பலர். பன்முகத்தன்மை கொண்ட நிலைமாற்ற உலோக வினையூக்கிகளை விட ஃபார்மிக் அமிலத்தின் வினையூக்க பரிமாற்ற ஹைட்ரஜனேற்றத்தில் சமீபத்திய முன்னேற்றம். AKS பட்டியல். 11, 1071–1095 (2021).
ரஹிமி, ஏ., உல்ப்ரிச், ஏ., குன், ஜேஜே, மற்றும் ஸ்டால், எஸ்எஸ். ஃபார்மிக் அமிலத்தால் தூண்டப்பட்ட ஆக்ஸிஜனேற்றப்பட்ட லிக்னினை நறுமண சேர்மங்களாக மாற்றும் டிபாலிமரைசேஷன். நேச்சர் 515, 249–252 (2014).
ஷூலர் இ. மற்றும் பலர். ஃபார்மிக் அமிலம் CO 2 பயன்பாட்டிற்கு ஒரு முக்கிய இடைநிலையாக செயல்படுகிறது. பச்சை. வேதியியல். 24, 8227–8258 (2022).
Zhou, H. மற்றும் பலர். கார்போஹைட்ரேட் மற்றும் லிக்னின் உள்ளடக்கத்தின் ஒட்டுமொத்த மேம்பாட்டிற்காக ஃப்ளோ-த்ரூ ஃபார்மிக் அமிலத்தைப் பயன்படுத்தி உயிரியலின் விரைவான அழிவில்லாத பின்னமாக்கல் (≤15 நிமிடம்). வேதியியல் மற்றும் வேதியியல் 12, 1213–1221 (2019).
கால்வி, சிஎச் மற்றும் பலர். தகவமைப்பு ஆய்வக பரிணாம தகவல் பொறியியலைப் பயன்படுத்தி ஃபார்மேட்டில் குப்ரியாவிடஸ் நெகேட்டர் H16 இன் மேம்படுத்தப்பட்ட வளர்ச்சி. வளர்சிதை மாற்றங்கள். பொறியாளர். 75, 78–90 (2023).
இஷாய், ஓ. மற்றும் லிண்ட்னர், எஸ்.என். கோன்சலஸ் டி லா குரூஸ், ஜே., டெனன்போயிம், எச். மற்றும் பார்-ஈவன், ஏ. ஃபார்மேட்களின் உயிரி பொருளாதாரம். தற்போதையது. கருத்து. வேதியியல். உயிரியல். 35, 1–9 (2016).