Nature.com দেখার জন্য আপনাকে ধন্যবাদ। আপনি যে ব্রাউজারটি ব্যবহার করছেন তার সংস্করণে সীমিত CSS সাপোর্ট রয়েছে। সেরা ফলাফলের জন্য, আমরা আপনাকে আপনার ব্রাউজারের একটি নতুন সংস্করণ ব্যবহার করার পরামর্শ দিচ্ছি (অথবা ইন্টারনেট এক্সপ্লোরারে সামঞ্জস্যতা মোড অক্ষম করুন)। ইতিমধ্যে, চলমান সহায়তা নিশ্চিত করার জন্য, আমরা স্টাইলিং বা জাভাস্ক্রিপ্ট ছাড়াই সাইটটি প্রদর্শন করছি।
কার্বন ডাই অক্সাইডের ইলেকট্রোকেমিক্যাল হ্রাস কার্বন ডাই অক্সাইড ব্যবহার উন্নত করার একটি প্রতিশ্রুতিশীল উপায় এবং হাইড্রোজেন স্টোরেজ মাধ্যম হিসেবে এর সম্ভাব্য প্রয়োগ রয়েছে। এই কাজে, কার্বন ডাই অক্সাইড থেকে ফর্মিক অ্যাসিডের সরাসরি ইলেকট্রোকেমিক্যাল সংশ্লেষণের জন্য একটি শূন্য-ব্যবধান ঝিল্লি ইলেকট্রোড অ্যাসেম্বলি আর্কিটেকচার তৈরি করা হয়েছে। একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রযুক্তিগত অগ্রগতি হল ছিদ্রযুক্ত ক্যাটেশন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন, যা, যখন একটি ফরোয়ার্ড বায়াসড বাইপোলার মেমব্রেন কনফিগারেশনে ব্যবহার করা হয়, তখন মেমব্রেন ইন্টারফেসে গঠিত ফর্মিক অ্যাসিডকে 0.25 M এর কম ঘনত্বে অ্যানোডিক প্রবাহ ক্ষেত্রের মাধ্যমে স্থানচ্যুত করার অনুমতি দেয়। অ্যানোড এবং ক্যাথোডের মধ্যে অতিরিক্ত স্যান্ডউইচ উপাদান ছাড়াই ধারণাটির লক্ষ্য জ্বালানী কোষ এবং হাইড্রোজেন ইলেক্ট্রোলাইসিসে প্রচলিত বিদ্যমান ব্যাটারি উপকরণ এবং নকশাগুলিকে কাজে লাগানো, যা স্কেল-আপ এবং বাণিজ্যিকীকরণে দ্রুত রূপান্তরের অনুমতি দেয়। একটি 25 cm2 কোষে, ছিদ্রযুক্ত ক্যাটেশন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন কনফিগারেশন <2 V এবং 300 mA/cm2 এ ফর্মিক অ্যাসিডের জন্য 75% ফ্যারাডে দক্ষতা প্রদান করে। আরও গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হল, 200 mA/cm2 এ 55-ঘন্টা স্থিতিশীলতা পরীক্ষা স্থিতিশীল ফ্যারাডে দক্ষতা এবং কোষ ভোল্টেজ দেখিয়েছে। বর্তমান ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদন পদ্ধতির সাথে খরচের সমতা অর্জনের উপায়গুলি চিত্রিত করার জন্য একটি প্রযুক্তিগত-অর্থনৈতিক বিশ্লেষণ ব্যবহার করা হয়।
নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ ব্যবহার করে কার্বন ডাই অক্সাইডের ইলেকট্রোকেমিক্যাল হ্রাসের ফলে উৎপাদন খরচ ঐতিহ্যবাহী জীবাশ্ম জ্বালানি-ভিত্তিক পদ্ধতির তুলনায় 75%1 পর্যন্ত হ্রাস পেয়েছে। সাহিত্যে উল্লেখ করা হয়েছে যে 2,3, ফর্মিক অ্যাসিডের বিস্তৃত প্রয়োগ রয়েছে, রাসায়নিক শিল্পের জন্য একটি ফিডস্টকে হাইড্রোজেন সংরক্ষণ এবং পরিবহনের একটি দক্ষ এবং লাভজনক উপায় থেকে শুরু করে 4,5 বা জৈববস্তু শিল্প 6। ফর্মিক অ্যাসিডকে বিপাকীয় প্রকৌশল 7,8 ব্যবহার করে টেকসই জেট জ্বালানি মধ্যস্থতায় রূপান্তরের জন্য ফিডস্টক হিসাবেও চিহ্নিত করা হয়েছে। ফর্মিক অ্যাসিড অর্থনীতি 1,9 এর বিকাশের সাথে সাথে, বেশ কয়েকটি গবেষণা কাজ অনুঘটক নির্বাচনকে অপ্টিমাইজ করার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছে 10,11,12,13,14,15,16। যাইহোক, অনেক প্রচেষ্টা কম বর্তমান ঘনত্বে (<50 mA/cm2) পরিচালিত ছোট H-কোষ বা তরল প্রবাহ কোষের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে চলেছে। খরচ কমাতে, বাণিজ্যিকীকরণ অর্জন করতে এবং পরবর্তী বাজারে প্রবেশ বৃদ্ধি করতে, ইলেকট্রোকেমিক্যাল কার্বন ডাই অক্সাইড হ্রাস (CO2R) উচ্চ কারেন্ট ঘনত্ব (≥200 mA/cm2) এবং ফ্যারাডে দক্ষতা (FE)17 এ সঞ্চালিত হতে হবে, একই সাথে উপাদানের ব্যবহার সর্বাধিক করতে হবে এবং প্রযুক্তি থেকে ব্যাটারি উপাদান ব্যবহার করতে হবে। জ্বালানি কোষ এবং জল তড়িৎ বিশ্লেষণ CO2R ডিভাইসগুলিকে স্কেল18 এর সাশ্রয়ী মূল্যের সুবিধা নিতে দেয়। এছাড়াও, উৎপাদনের উপযোগিতা বৃদ্ধি করতে এবং অতিরিক্ত ডাউনস্ট্রিম প্রক্রিয়াকরণ এড়াতে, ফর্মেট লবণ19 এর পরিবর্তে চূড়ান্ত পণ্য হিসাবে ফর্মিক অ্যাসিড ব্যবহার করা উচিত।
এই দিকে, শিল্পগতভাবে প্রাসঙ্গিক CO2R ফর্মেট/ফর্মিক অ্যাসিড ভিত্তিক গ্যাস ডিফিউশন ইলেকট্রোড (GDE) ডিভাইস তৈরির জন্য সাম্প্রতিক প্রচেষ্টা করা হয়েছে। ফার্নান্দেজ-ক্যাসো এবং অন্যান্যদের একটি বিস্তৃত পর্যালোচনা 20 ফর্মিক অ্যাসিড/ফর্মেটে CO2 এর ক্রমাগত হ্রাসের জন্য সমস্ত ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কোষ কনফিগারেশনের সারসংক্ষেপ তুলে ধরে। সাধারণভাবে, সমস্ত বিদ্যমান কনফিগারেশনকে তিনটি প্রধান বিভাগে ভাগ করা যেতে পারে: 1. ফ্লো-থ্রু ক্যাথোলাইটস19,21,22,23,24,25,26,27, 2. একক ঝিল্লি (কেশন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (CEM)28 বা অ্যানিয়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (AEM)29 এবং 3. স্যান্ডউইচ কনফিগারেশন15,30,31,32। এই কনফিগারেশনগুলির সরলীকৃত ক্রস-সেকশন চিত্র 1a-তে দেখানো হয়েছে। ক্যাথোলাইটের প্রবাহ কনফিগারেশনের জন্য, GDE-এর ঝিল্লি এবং ক্যাথোডের মধ্যে একটি ইলেক্ট্রোলাইট চেম্বার তৈরি করা হয়। অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরে আয়ন চ্যানেল তৈরি করতে ফ্লো-থ্রু ক্যাথোলাইট ব্যবহার করা হয়33, যদিও ফর্মেট সিলেক্টিভিটি নিয়ন্ত্রণের জন্য এর প্রয়োজনীয়তা নিয়ে বিতর্ক করা হয়েছে34। যাইহোক, এই কনফিগারেশনটি চেন এবং অন্যান্যরা ব্যবহার করেছিলেন। 1.27 মিমি পুরু ক্যাথোলাইট স্তর সহ একটি কার্বন সাবস্ট্রেটে SnO2 ক্যাথোড ব্যবহার করে, 500 mA/cm2 এ 90% FE 35 পর্যন্ত অর্জন করা হয়েছিল। এর সংমিশ্রণ একটি পুরু ক্যাথোলাইট স্তর এবং একটি বিপরীত-পক্ষপাতদুষ্ট বাইপোলার মেমব্রেন (BPM) যা আয়ন স্থানান্তরকে সীমাবদ্ধ করে, 6 V এর অপারেটিং ভোল্টেজ এবং 15% এর শক্তি দক্ষতা প্রদান করে। শক্তি দক্ষতা উন্নত করার জন্য, Li এবং অন্যান্যরা একটি একক CEM কনফিগারেশন ব্যবহার করে 51.7 mA/cm2 এর ভগ্নাংশ কারেন্ট ঘনত্বে 93.3% এর FE 29 অর্জন করেছেন। Diaz-Sainz এবং অন্যান্যরা 28 45 mA/cm2 এর বর্তমান ঘনত্বে একটি একক CEM মেমব্রেন সহ একটি ফিল্টার প্রেস ব্যবহার করেছেন। যাইহোক, সমস্ত পদ্ধতি পছন্দের পণ্য, ফর্মিক অ্যাসিডের পরিবর্তে ফর্মেট তৈরি করেছে। অতিরিক্ত প্রক্রিয়াকরণ প্রয়োজনীয়তা ছাড়াও, CEM কনফিগারেশনে, KCOOH এর মতো ফর্ম্যাটগুলি দ্রুত GDE এবং প্রবাহ ক্ষেত্রে জমা হতে পারে, যা পরিবহন সীমাবদ্ধতা এবং শেষ পর্যন্ত কোষ ব্যর্থতার কারণ হয়।
এই গবেষণায় প্রস্তাবিত তিনটি সর্বাধিক বিশিষ্ট CO2R এর তুলনা ফরমেট/ফর্মিক অ্যাসিড রূপান্তর ডিভাইস কনফিগারেশন এবং স্থাপত্যের সাথে। b ক্যাথোলাইট কনফিগারেশন, স্যান্ডউইচ কনফিগারেশন, সাহিত্যে একক CEM কনফিগারেশন (পরিপূরক সারণি S1 তে দেখানো হয়েছে) এবং আমাদের কাজের জন্য মোট কারেন্ট এবং ফরমেট/ফর্মিক অ্যাসিড ফলনের তুলনা। খোলা চিহ্নগুলি ফরমেট দ্রবণের উৎপাদন নির্দেশ করে এবং কঠিন চিহ্নগুলি ফরমিক অ্যাসিডের উৎপাদন নির্দেশ করে। *অ্যানোডে হাইড্রোজেন ব্যবহার করে কনফিগারেশন দেখানো হয়েছে। c ফরোয়ার্ড বায়াস মোডে কাজ করা একটি ছিদ্রযুক্ত ক্যাটেশন এক্সচেঞ্জ স্তর সহ একটি যৌগিক বাইপোলার মেমব্রেন ব্যবহার করে জিরো-গ্যাপ MEA কনফিগারেশন।
ফর্মেট গঠন রোধ করার জন্য, প্রোইটো এবং অন্যান্যরা একটি স্প্লিটলেস ফিল্টার প্রেস কনফিগারেশন ব্যবহার করেছিলেন যেখানে ডিআয়নযুক্ত জল আন্তঃস্তরের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়। সিস্টেমটি 50-80 mA/cm2 এর বর্তমান ঘনত্বের পরিসরে >70% CE অর্জন করতে পারে। একইভাবে, ইয়াং এবং অন্যান্যরা ফর্মিক অ্যাসিড গঠনের জন্য CEM এবং AEM এর মধ্যে একটি কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারলেয়ার ব্যবহারের প্রস্তাব করেছিলেন। ইয়াং এবং অন্যান্যরা 31,36 200 mA/cm2 এ 5 cm2 কোষে 91.3% FE অর্জন করেছিলেন, 6.35 wt% ফর্মিক অ্যাসিড দ্রবণ তৈরি করেছিলেন। জিয়া এবং অন্যান্যরা অনুরূপ কনফিগারেশন ব্যবহার করে, 200 mA/cm2 এ কার্বন ডাই অক্সাইড (CO2) এর ফর্মিক অ্যাসিড FE তে 83% রূপান্তর অর্জন করা হয়েছিল এবং সিস্টেমের স্থায়িত্ব 100 ঘন্টা 30 মিনিটের জন্য পরীক্ষা করা হয়েছিল। যদিও ছোট আকারের ফলাফল আশাব্যঞ্জক, ছিদ্রযুক্ত আয়ন বিনিময় রেজিনের বর্ধিত খরচ এবং জটিলতার কারণে বৃহত্তর সিস্টেমে (যেমন, 1000 cm2) ইন্টারলেয়ার কনফিগারেশন স্কেল করা কঠিন হয়ে পড়ে।
বিভিন্ন ডিজাইনের নেট প্রভাব কল্পনা করার জন্য, আমরা পূর্বে উল্লিখিত সমস্ত সিস্টেমের জন্য প্রতি kWh ফর্মেট/ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদনের সারণী তৈরি করেছি এবং চিত্র 1b তে সেগুলি প্লট করেছি। এখানে স্পষ্ট যে ক্যাথোলাইট বা ইন্টারলেয়ার ধারণকারী যেকোনো সিস্টেম কম কারেন্ট ঘনত্বে তার কর্মক্ষমতা সর্বোচ্চ করবে এবং উচ্চ কারেন্ট ঘনত্বে অবনতি ঘটাবে, যেখানে ওহমিক সীমা কোষের ভোল্টেজ নির্ধারণ করতে পারে। অধিকন্তু, যদিও শক্তি-দক্ষ CEM কনফিগারেশন প্রতি kWh সর্বোচ্চ মোলার ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদন প্রদান করে, লবণ জমা উচ্চ কারেন্ট ঘনত্বে দ্রুত কর্মক্ষমতা অবনতি ঘটাতে পারে।
পূর্বে আলোচিত ব্যর্থতা মোডগুলি প্রশমিত করার জন্য, আমরা একটি মেমব্রেন ইলেক্ট্রোড অ্যাসেম্বলি (MEA) তৈরি করেছি যার মধ্যে একটি কম্পোজিট ফরোয়ার্ড বায়াসড BPM রয়েছে যার মধ্যে একটি ছিদ্রযুক্ত ক্যাটেশন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (PCEM) রয়েছে। স্থাপত্যটি চিত্র 1c তে দেখানো হয়েছে। হাইড্রোজেন (H2) হাইড্রোজেন জারণ বিক্রিয়া (HOR) এর মাধ্যমে প্রোটন তৈরি করার জন্য অ্যানোডে প্রবেশ করানো হয়। ক্যাথোডে উৎপন্ন ফর্মেট আয়নগুলিকে AEM এর মধ্য দিয়ে যেতে, প্রোটনের সাথে একত্রিত হয়ে CEM এর BPM ইন্টারফেস এবং ইন্টারস্টিশিয়াল ছিদ্রগুলিতে ফর্মিক অ্যাসিড তৈরি করতে এবং তারপর GDE অ্যানোড এবং প্রবাহ ক্ষেত্রের মধ্য দিয়ে প্রস্থান করার জন্য BPM সিস্টেমে একটি PCEM স্তর প্রবর্তন করা হয়। । এই কনফিগারেশন ব্যবহার করে, আমরা 25 cm2 কোষ এলাকায় <2 V এবং 300 mA/cm2 এ ফর্মিক অ্যাসিডের 75% FE অর্জন করেছি। সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হল, নকশাটি জ্বালানী কোষ এবং জল তড়িৎ বিশ্লেষণ কেন্দ্রের জন্য বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ উপাদান এবং হার্ডওয়্যার আর্কিটেকচার ব্যবহার করে, যা দ্রুত স্কেল করার সময় দেয়। ক্যাথোলাইট কনফিগারেশনে ক্যাথোলাইট ফ্লো চেম্বার থাকে যা গ্যাস এবং তরল পর্যায়ের মধ্যে চাপ ভারসাম্যহীনতা সৃষ্টি করতে পারে, বিশেষ করে বৃহত্তর কোষ কনফিগারেশনে। তরল প্রবাহের ছিদ্রযুক্ত স্তরযুক্ত স্যান্ডউইচ কাঠামোর জন্য, মধ্যবর্তী স্তরের মধ্যে চাপ হ্রাস এবং কার্বন ডাই অক্সাইড জমা কমাতে ছিদ্রযুক্ত মধ্যবর্তী স্তরটিকে অপ্টিমাইজ করার জন্য উল্লেখযোগ্য প্রচেষ্টা প্রয়োজন। এই উভয়ই সেলুলার যোগাযোগের ব্যাঘাত ঘটাতে পারে। বৃহৎ পরিসরে মুক্ত-স্থায়ী পাতলা ছিদ্রযুক্ত স্তর তৈরি করাও কঠিন। বিপরীতে, প্রস্তাবিত নতুন কনফিগারেশনটি একটি শূন্য-ব্যবধান MEA কনফিগারেশন যাতে কোনও প্রবাহ চেম্বার বা মধ্যবর্তী স্তর থাকে না। অন্যান্য বিদ্যমান ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কোষের তুলনায়, প্রস্তাবিত কনফিগারেশনটি অনন্য কারণ এটি একটি স্কেলেবল, শক্তি-দক্ষ, শূন্য-ব্যবধান কনফিগারেশনে ফর্মিক অ্যাসিডের সরাসরি সংশ্লেষণের অনুমতি দেয়।
হাইড্রোজেন বিবর্তন দমন করার জন্য, বৃহৎ আকারের CO2 হ্রাস প্রচেষ্টায় MEA এবং AEM ঝিল্লি কনফিগারেশন ব্যবহার করা হয়েছে উচ্চ মোলার ঘনত্বের ইলেক্ট্রোলাইটের (যেমন, 1-10 M KOH) সাথে ক্যাথোডে ক্ষারীয় অবস্থা তৈরি করার জন্য (চিত্র 2a তে দেখানো হয়েছে)। এই কনফিগারেশনে, ক্যাথোডে গঠিত ফর্মেট আয়নগুলি নেতিবাচকভাবে চার্জযুক্ত প্রজাতি হিসাবে ঝিল্লির মধ্য দিয়ে যায়, তারপর KCOOH তৈরি হয় এবং অ্যানোডিক KOH প্রবাহের মাধ্যমে সিস্টেম থেকে বেরিয়ে যায়। যদিও চিত্র 2b তে দেখানো হিসাবে ফর্মেট FE এবং কোষ ভোল্টেজ প্রাথমিকভাবে অনুকূল ছিল, স্থিতিশীলতা পরীক্ষার ফলে মাত্র 10 ঘন্টার মধ্যে FE প্রায় 30% হ্রাস পেয়েছে (চিত্র S1a–c)। এটি লক্ষ করা উচিত যে ক্ষারীয় অক্সিজেন বিবর্তন বিক্রিয়া (OER) সিস্টেমে অ্যানোডিক ওভারভোল্টেজ কমাতে এবং ক্যাথোড অনুঘটক বেড 33 এর মধ্যে আয়ন অ্যাক্সেসিবিলিটি অর্জনের জন্য 1 M KOH অ্যানোলাইট ব্যবহার অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। যখন অ্যানোলাইটের ঘনত্ব 0.1 M KOH-এ কমানো হয়, তখন কোষের ভোল্টেজ এবং ফর্মিক অ্যাসিড জারণ (ফর্মিক অ্যাসিডের ক্ষতি) উভয়ই বৃদ্ধি পায় (চিত্র S1d), যা শূন্য-সমষ্টির বিনিময়-অফ দেখায়। সামগ্রিক ভর ভারসাম্য ব্যবহার করে ফর্মেট জারণ মাত্রা মূল্যায়ন করা হয়েছিল; আরও বিস্তারিত জানার জন্য, "পদ্ধতি" বিভাগটি দেখুন। MEA এবং একক CEM ঝিল্লি কনফিগারেশন ব্যবহার করে কর্মক্ষমতাও অধ্যয়ন করা হয়েছিল, এবং ফলাফল চিত্র S1f,g-এ দেখানো হয়েছে। পরীক্ষার শুরুতে ক্যাথোড থেকে সংগৃহীত FE ফর্মেট 200 mA/cm2 এ 60% থেকে বেশি ছিল, কিন্তু পূর্বে আলোচিত ক্যাথোড লবণ জমার কারণে দুই ঘন্টার মধ্যে দ্রুত অবনতি ঘটে (চিত্র S11)।
ক্যাথোডে CO2R, অ্যানোডে হাইড্রোজেন জারণ বিক্রিয়া (HOR) বা OER এবং মাঝখানে একটি AEM ঝিল্লি সহ একটি শূন্য-ব্যবধান MEA এর পরিকল্পিত। b এই কনফিগারেশনের জন্য FE এবং কোষ ভোল্টেজ, অ্যানোডে 1 M KOH এবং OER প্রবাহিত হয়। ত্রুটি বারগুলি তিনটি ভিন্ন পরিমাপের মানক বিচ্যুতিকে প্রতিনিধিত্ব করে। FE এবং সিস্টেম কোষ ভোল্টেজ, অ্যানোডে H2 এবং HOR সহ। ফর্মেট এবং ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদনের পার্থক্য করতে বিভিন্ন রঙ ব্যবহার করা হয়। d মাঝখানে BPM সামনের দিকে সরানো সহ MEA এর পরিকল্পিত চিত্র। এই কনফিগারেশন ব্যবহার করে FE এবং ব্যাটারি ভোল্টেজ বনাম সময় 200 mA/cm2। f একটি সংক্ষিপ্ত পরীক্ষার পরে একটি ফরোয়ার্ড-বায়াসড BPM MEA এর ক্রস-বিভাগীয় চিত্র।
ফর্মিক অ্যাসিড তৈরির জন্য, অ্যানোডে একটি Pt-on-carbon (Pt/C) অনুঘটককে হাইড্রোজেন সরবরাহ করা হয়। চিত্র 2d-তে দেখানো হয়েছে, ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদন অর্জনের জন্য অ্যানোডে একটি ফরোয়ার্ড-বায়াসড BPM উৎপন্ন প্রোটন পূর্বে তদন্ত করা হয়েছে। 200 mA/cm2 কারেন্টে 40 মিনিটের অপারেশনের পরে BPM টিউনিং ইউনিটটি ব্যর্থ হয়েছিল, যার সাথে 5 V-এর বেশি ভোল্টেজ বৃদ্ধি পেয়েছিল (চিত্র 2e)। পরীক্ষার পরে, CEM/AEM ইন্টারফেসে স্পষ্ট ডিলামিনেশন পরিলক্ষিত হয়েছিল। ফর্মেট ছাড়াও, কার্বনেট, বাইকার্বোনেট এবং হাইড্রোক্সাইডের মতো অ্যানায়নগুলিও AEM ঝিল্লির মধ্য দিয়ে যেতে পারে এবং CEM/AEM ইন্টারফেসে প্রোটনের সাথে বিক্রিয়া করে CO2 গ্যাস এবং তরল জল তৈরি করতে পারে, যার ফলে BPM ডিলামিনেশন (চিত্র 2f) এবং শেষ পর্যন্ত কোষের ব্যর্থতার দিকে পরিচালিত করে।
উপরের কনফিগারেশনের কর্মক্ষমতা এবং ব্যর্থতা প্রক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে, চিত্র 1c-তে দেখানো এবং চিত্র 3a38-তে বিস্তারিতভাবে বর্ণনা করা হয়েছে এমন একটি নতুন MEA স্থাপত্য প্রস্তাব করা হয়েছে। এখানে, PCEM স্তরটি CEM/AEM ইন্টারফেস থেকে ফর্মিক অ্যাসিড এবং অ্যানিয়নের স্থানান্তরের জন্য একটি পথ প্রদান করে, যার ফলে পদার্থের জমা হ্রাস পায়। একই সময়ে, PCEM ইন্টারস্টিশিয়াল পথ ফর্মিক অ্যাসিডকে বিস্তার মাধ্যম এবং প্রবাহ ক্ষেত্রে নির্দেশ করে, ফর্মিক অ্যাসিড জারণের সম্ভাবনা হ্রাস করে। 80, 40 এবং 25 মিমি পুরুত্বের AEM ব্যবহার করে পোলারাইজেশনের ফলাফল চিত্র 3b-তে দেখানো হয়েছে। যেমনটি প্রত্যাশা করা হয়েছিল, যদিও AEM পুরুত্ব বৃদ্ধির সাথে সামগ্রিক কোষের ভোল্টেজ বৃদ্ধি পায়, একটি ঘন AEM ব্যবহার ফর্মিক অ্যাসিডের ব্যাক বিস্তার রোধ করে, যার ফলে ক্যাথোড pH বৃদ্ধি পায় এবং H2 উৎপাদন হ্রাস পায় (চিত্র 3c-e)।
AEM এবং ছিদ্রযুক্ত CEM এবং বিভিন্ন ফর্মিক অ্যাসিড পরিবহন পথ সহ MEA কাঠামোর একটি চিত্র। b বিভিন্ন বর্তমান ঘনত্ব এবং বিভিন্ন AEM বেধে কোষের ভোল্টেজ। EE-তে 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm এর AEM বেধ সহ বিভিন্ন বর্তমান ঘনত্বে। ত্রুটি বারগুলি তিনটি পৃথক নমুনা থেকে পরিমাপ করা স্ট্যান্ডার্ড বিচ্যুতি উপস্থাপন করে। f বিভিন্ন AEM বেধে CEM/AEM ইন্টারফেসে ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্ব এবং pH মানের সিমুলেশন ফলাফল। f বিভিন্ন AEM ফিল্ম বেধ সহ অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরে PC এবং pH। g CEM/AEM ইন্টারফেস এবং ছিদ্র সহ ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্বের দ্বি-মাত্রিক বন্টন।
চিত্র S2 পয়সন-নার্নস্ট-প্ল্যাঙ্ক সসীম উপাদান মডেলিং ব্যবহার করে MEA পুরুত্ব জুড়ে ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্ব এবং pH এর বন্টন দেখায়। CEM/AEM ইন্টারফেসে ফর্মিক অ্যাসিডের সর্বোচ্চ ঘনত্ব, 0.23 mol/L, পরিলক্ষিত হওয়া অবাক করার মতো কিছু নয়, কারণ এই ইন্টারফেসে ফর্মিক অ্যাসিড তৈরি হয়। AEM এর পুরুত্ব বৃদ্ধির সাথে সাথে AEM এর মাধ্যমে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব আরও দ্রুত হ্রাস পায়, যা ভর স্থানান্তরের প্রতিরোধ ক্ষমতা বৃদ্ধি করে এবং ব্যাক ডিফিউশনের কারণে ফর্মিক অ্যাসিড প্রবাহ কম করে। চিত্র 3 f এবং g যথাক্রমে ব্যাক ডিফিউশন এবং ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্বের দ্বি-মাত্রিক বন্টনের কারণে ক্যাথোড অনুঘটক বিছানায় pH এবং ফর্মিক অ্যাসিড মান দেখায়। AEM ঝিল্লি যত পাতলা হবে, ক্যাথোডের কাছে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব তত বেশি হবে এবং ক্যাথোডের pH অ্যাসিডিক হয়ে উঠবে। অতএব, যদিও ঘন AEM ঝিল্লি উচ্চ ওহমিক ক্ষতির কারণ হয়, ক্যাথোডে ফর্মিক অ্যাসিডের ব্যাক ডিফিউশন রোধ করতে এবং FE ফর্মিক অ্যাসিড সিস্টেমের উচ্চ বিশুদ্ধতা সর্বাধিক করার জন্য এগুলি গুরুত্বপূর্ণ। অবশেষে, AEM পুরুত্ব 80 μm-এ বৃদ্ধি করার ফলে <2 V-তে ফর্মিক অ্যাসিডের জন্য FE >75% এবং 25 cm2 কোষ ক্ষেত্রের জন্য 300 mA/cm2 হয়েছে।
এই PECM-ভিত্তিক আর্কিটেকচারের স্থিতিশীলতা পরীক্ষা করার জন্য, ব্যাটারি কারেন্ট 55 ঘন্টা ধরে 200 mA/cm2 এ বজায় রাখা হয়েছিল। চিত্র 4 এ সামগ্রিক ফলাফল দেখানো হয়েছে, চিত্র S3 এ প্রথম 3 ঘন্টার ফলাফল তুলে ধরা হয়েছে। Pt/C অ্যানোডিক অনুঘটক ব্যবহার করার সময়, প্রথম 30 মিনিটের মধ্যে কোষের ভোল্টেজ তীব্রভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে (চিত্র S3a)। দীর্ঘ সময় ধরে, কোষের ভোল্টেজ প্রায় স্থির ছিল, যা 0.6 mV/h এর অবক্ষয় হার প্রদান করে (চিত্র 4a)। পরীক্ষার শুরুতে, অ্যানোডে সংগৃহীত ফর্মিক অ্যাসিডের PV ছিল 76.5% এবং ক্যাথোডে সংগৃহীত হাইড্রোজেনের PV ছিল 19.2%। পরীক্ষার প্রথম ঘন্টা পরে, হাইড্রোজেন FE 13.8% এ নেমে আসে, যা উন্নত ফর্মেট নির্বাচনীতা নির্দেশ করে। তবে, সিস্টেমে ফর্মিক অ্যাসিডের জারণ হার ১ ঘন্টার মধ্যে ৬২.৭% এ নেমে আসে এবং অ্যানোডিক ফর্মিক অ্যাসিডের জারণ হার পরীক্ষার শুরুতে প্রায় শূন্য থেকে বেড়ে ১৭.০% এ পৌঁছে। পরবর্তীকালে, পরীক্ষার সময় H2, CO, ফর্মিক অ্যাসিডের FE এবং ফর্মিক অ্যাসিডের অ্যানোডিক জারণ হার স্থিতিশীল থাকে। প্রথম ঘন্টায় ফর্মিক অ্যাসিড জারণ বৃদ্ধির কারণ PCEM/AEM ইন্টারফেসে ফর্মিক অ্যাসিড জমা হওয়া হতে পারে। ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব বৃদ্ধির সাথে সাথে, এটি কেবল ঝিল্লির ছিদ্র দিয়েই বেরিয়ে যায় না, বরং FEM এর মধ্য দিয়েও ছড়িয়ে পড়ে এবং Pt/C অ্যানোড স্তরে প্রবেশ করে। যেহেতু ফর্মিক অ্যাসিড ৬০°C তাপমাত্রায় তরল, তাই এর জমা ভর স্থানান্তর সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে এবং হাইড্রোজেনের চেয়ে পছন্দসই জারণ তৈরি করতে পারে।
a কোষ ভোল্টেজ বনাম সময় (200 mA/cm2, 60 °C)। ইনসেটটি একটি ছিদ্রযুক্ত EM সহ একটি MEA-এর ক্রস-সেকশনের একটি অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপ চিত্র দেখায়। স্কেল বার: 300 µm। b একটি Pt/C অ্যানোড ব্যবহার করে 200 mA/cm2 এ সময়ের ফাংশন হিসাবে PE এবং ফর্মিক অ্যাসিডের বিশুদ্ধতা।
পরীক্ষার শুরুতে (BOT) প্রস্তুতির সময় এবং পরীক্ষার শেষে (EOT) ৫৫ ঘন্টা স্থিতিশীলতা পরীক্ষার পরে নমুনাগুলির আকারবিদ্যা ন্যানো-এক্স-রে কম্পিউটেড টোমোগ্রাফি (ন্যানো-CT) ব্যবহার করে চিহ্নিত করা হয়েছিল, যেমন চিত্র ৫ a-তে দেখানো হয়েছে। EOT নমুনায় একটি বৃহত্তর অনুঘটক কণার আকার রয়েছে যার ব্যাস ১২০৭ nm, যেখানে BOT-এর জন্য ৯৩০ nm। উচ্চ-কোণ অ্যানুলার ডার্ক-ফিল্ড স্ক্যানিং ট্রান্সমিশন ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (HAADF-STEM) চিত্র এবং শক্তি-বিচ্ছুরণকারী এক্স-রে স্পেকট্রোস্কোপি (EDS) ফলাফল চিত্র ৫b-তে দেখানো হয়েছে। যদিও BOT অনুঘটক স্তরে বেশিরভাগ ছোট অনুঘটক কণার পাশাপাশি কিছু বৃহত্তর সমষ্টি রয়েছে, EOT পর্যায়ে অনুঘটক স্তরটিকে দুটি স্বতন্ত্র অঞ্চলে ভাগ করা যেতে পারে: একটি উল্লেখযোগ্যভাবে বড় কঠিন কণা সহ এবং অন্যটি আরও ছিদ্রযুক্ত অঞ্চল সহ। ছোট কণার সংখ্যা। EDS চিত্রটি দেখায় যে বৃহৎ কঠিন কণাগুলি Bi সমৃদ্ধ, সম্ভবত ধাতব Bi, এবং ছিদ্রযুক্ত অঞ্চলগুলি অক্সিজেন সমৃদ্ধ। যখন কোষটি 200 mA/cm2 এ পরিচালিত হয়, তখন ক্যাথোডের ঋণাত্মক বিভব Bi2O3 হ্রাস ঘটাবে, যা নীচে আলোচিত ইন-সিটু এক্স-রে শোষণ বর্ণালী ফলাফল দ্বারা প্রমাণিত। HAADF-STEM এবং EDS ম্যাপিং ফলাফল দেখায় যে Bi2O3 একটি হ্রাস প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায়, যার ফলে তারা অক্সিজেন হারায় এবং বৃহত্তর ধাতব কণায় জমাট বাঁধে। BOT এবং EOT ক্যাথোডগুলির এক্স-রে বিবর্তন ধরণগুলি EDS তথ্যের ব্যাখ্যা নিশ্চিত করে (চিত্র 5c): BOT ক্যাথোডে শুধুমাত্র স্ফটিক Bi2O3 সনাক্ত করা হয়েছিল, এবং EOT ক্যাথোডে স্ফটিক বাইমেটাল পাওয়া গিয়েছিল। Bi2O3 ক্যাথোড অনুঘটকের জারণ অবস্থার উপর ক্যাথোড বিভবের প্রভাব বোঝার জন্য, তাপমাত্রা ওপেন সার্কিট বিভব (+0.3 V বনাম RHE) থেকে -1.5 V (বনাম RHE) পর্যন্ত পরিবর্তিত হয়েছিল। দেখা গেছে যে RHE-এর তুলনায় -0.85 V-তে Bi2O3 ফেজ হ্রাস পেতে শুরু করে এবং বর্ণালীর প্রান্ত অঞ্চলে সাদা রেখার তীব্রতা হ্রাস পাওয়ায় বোঝা যায় যে RHE-এর তুলনায় -1.1 V-তে ধাতব Bi RHE-এর 90%-এ হ্রাস পায় (চিত্র 5d)। প্রক্রিয়া যাই হোক না কেন, ক্যাথোডে ফর্মেটের সামগ্রিক নির্বাচনীতা মূলত অপরিবর্তিত থাকে, যেমনটি H2 এবং CO FE এবং ফর্মিক অ্যাসিড গঠন থেকে অনুমান করা হয়েছে, যদিও ক্যাথোডের আকারবিদ্যা, অনুঘটক জারণ অবস্থা এবং মাইক্রোক্রিস্টালাইন কাঠামোতে উল্লেখযোগ্য পরিবর্তন ঘটে।
a ন্যানো-এক্স-রে CT ব্যবহার করে প্রাপ্ত অনুঘটক স্তরের ত্রিমাত্রিক গঠন এবং অনুঘটক কণার বন্টন। স্কেল বার: 10 µm। b শীর্ষ 2: BOT এবং EOT অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরের HAADF-STEM চিত্র। স্কেল বার: 1 µm। নীচে 2: EOT অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরের বর্ধিত HADF-STEM এবং EDX চিত্র। স্কেল বার: 100 nm। c BOT এবং EOT ক্যাথোড নমুনার এক্স-রে বিবর্তন প্যাটার্ন। d বিভবের ফাংশন হিসাবে 0.1 M KOH-তে Bi2O3 ইলেক্ট্রোডের ইন-সিটু এক্স-রে শোষণ বর্ণালী (0.8 V থেকে -1.5 V বনাম RHE)।
ফর্মিক অ্যাসিড জারণকে বাধা দিয়ে শক্তি দক্ষতা উন্নত করার জন্য ঠিক কী কী সুযোগ রয়েছে তা নির্ধারণ করার জন্য, ভোল্টেজ ক্ষতির অবদান সনাক্ত করার জন্য একটি H2 রেফারেন্স ইলেক্ট্রোড ব্যবহার করা হয়েছিল39। 500 mA/cm2 এর কম বর্তমান ঘনত্বে, ক্যাথোড বিভব -1.25 V এর নিচে থাকে। অ্যানোডিক বিভব দুটি প্রধান অংশে বিভক্ত: বিনিময় বর্তমান ঘনত্ব HOR এবং পূর্বে পরিমাপ করা বাল্টার-ভোলমার সমীকরণ দ্বারা পূর্বাভাসিত তাত্ত্বিক ওভারভোল্টেজ HOR 40, এবং বাকি অংশটি ফর্মিক অ্যাসিড জারণ দ্বারা হয়। HOR41 এর তুলনায় অনেক ধীর বিক্রিয়া গতিবিদ্যার কারণে, অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিড জারণ বিক্রিয়ার কম হার অ্যানোডিক বিভবকে উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করতে পারে। ফলাফলগুলি দেখায় যে ফর্মিক অ্যাসিড অ্যানোডিক জারণ সম্পূর্ণ বাধা প্রায় 500 mV ওভারভোল্টেজ দূর করতে পারে।
এই অনুমান পরীক্ষা করার জন্য, অ্যানোড ইনলেটে ডিআয়নযুক্ত জলের (DI) প্রবাহ হার পরিবর্তন করা হয়েছিল যাতে বর্জ্য ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব কমানো যায়। চিত্র 6b এবং c 200 mA/cm2 এ অ্যানোডে DI প্রবাহের একটি ফাংশন হিসাবে FE, ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্ব এবং কোষ ভোল্টেজ দেখায়। ডিআয়নযুক্ত জল প্রবাহ হার 3.3 mL/মিনিট থেকে 25 mL/মিনিট বৃদ্ধি পাওয়ার সাথে সাথে, অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্ব 0.27 mol/L থেকে 0.08 mol/L এ হ্রাস পেয়েছে। তুলনামূলকভাবে, Xia et al. 30 দ্বারা প্রস্তাবিত স্যান্ডউইচ কাঠামো ব্যবহার করে 200 mA/cm2 এ 1.8 mol/L এর ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্ব পাওয়া গেছে। ঘনত্ব হ্রাস করলে ফর্মিক অ্যাসিডের সামগ্রিক FE উন্নত হয় এবং H2 এর FE হ্রাস পায় কারণ ফর্মিক অ্যাসিডের ব্যাক ডিফিউশন হ্রাসের কারণে ক্যাথোড pH আরও ক্ষারীয় হয়ে ওঠে। সর্বাধিক DI প্রবাহে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব হ্রাসের ফলে ফর্মিক অ্যাসিড জারণ কার্যত বন্ধ হয়ে যায়, যার ফলে 200 mA/cm2 এ মোট কোষ ভোল্টেজ 1.7 V এর কম হয়। ব্যাটারির তাপমাত্রা সামগ্রিক কর্মক্ষমতাকেও প্রভাবিত করে এবং ফলাফল চিত্র S10 এ দেখানো হয়েছে। যাইহোক, PCEM-ভিত্তিক আর্কিটেকচারগুলি ফর্মিক অ্যাসিড জারণ প্রতিরোধে শক্তি দক্ষতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে, তা ফর্মিক অ্যাসিডের দিকে উন্নত হাইড্রোজেন নির্বাচনীতা সহ অ্যানোডিক অনুঘটক ব্যবহারের মাধ্যমে হোক বা ডিভাইস পরিচালনার মাধ্যমে হোক।
a কোষের রেফারেন্স H2 ইলেক্ট্রোড ব্যবহার করে কোষের ভোল্টেজ ভাঙ্গন যা 60 °C, Pt/C অ্যানোড এবং 80 µm AEM তাপমাত্রায় কাজ করে। b FE এবং ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব 200 mA/cm2 তাপমাত্রায় সংগ্রহ করা হয়, অ্যানোডিক ডিআয়নযুক্ত জলের বিভিন্ন প্রবাহ হার ব্যবহার করে। c যখন অ্যানোড বিভিন্ন ঘনত্বে ফর্মিক অ্যাসিড সংগ্রহ করে, তখন কোষের ভোল্টেজ 200 mA/cm2 হয়। ত্রুটি বারগুলি তিনটি ভিন্ন পরিমাপের মানক বিচ্যুতি উপস্থাপন করে। d জাতীয় শিল্প গড় বিদ্যুতের দাম US$0.068/kWh এবং US$4.5/kg হাইড্রোজেন ব্যবহার করে বিভিন্ন ডিআয়নযুক্ত জল প্রবাহ হারে কর্মক্ষমতা দ্বারা বিভক্ত ন্যূনতম বিক্রয় মূল্য। (*: অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিডের সর্বনিম্ন জারণ অবস্থা ১০ M FA ধরে নেওয়া হয়, জাতীয় গড় শিল্প বিদ্যুতের দাম $০.০৬৮/kWh, এবং হাইড্রোজেন $৪.৫/kg। **: সর্বনিম্ন জারণ অবস্থা ফরমিক অ্যাসিড ধরে নেওয়া হয়। অ্যানোডে FA এর ঘনত্ব ১.৩ M অ্যানোড, প্রত্যাশিত ভবিষ্যতের বিদ্যুতের দাম $০.০৩/kWh, এবং বিন্দুযুক্ত রেখাটি ৮৫ wt% FA বাজার মূল্য উপস্থাপন করে।
চিত্র 5d-তে দেখানো বিভিন্ন অপারেটিং অবস্থার অধীনে জ্বালানি অ্যাসেম্বলির ন্যূনতম বিক্রয় মূল্য প্রাপ্ত করার জন্য একটি টেকনো-ইকোনমিক বিশ্লেষণ (TEA) পরিচালিত হয়েছিল। SI-তে TEA-এর পদ্ধতি এবং পটভূমি তথ্য পাওয়া যাবে। যখন অ্যানোড নিষ্কাশনে LC ঘনত্ব বেশি থাকে, উচ্চতর কোষ ভোল্টেজ থাকা সত্ত্বেও, পৃথকীকরণ খরচ হ্রাসের কারণে জ্বালানি অ্যাসেম্বলির সামগ্রিক খরচ হ্রাস পায়। যদি অনুঘটক উন্নয়ন বা ইলেক্ট্রোড প্রযুক্তির মাধ্যমে ফর্মিক অ্যাসিডের অ্যানোডিক জারণ কমানো যায়, তাহলে নিম্ন কোষ ভোল্টেজ (1.66 V) এবং বর্জ্যে উচ্চতর FA ঘনত্ব (10 M) এর সংমিশ্রণ ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল FA উৎপাদনের খরচ 0.74 মার্কিন ডলার/কেজি (বিদ্যুতের উপর ভিত্তি করে) কমিয়ে আনবে। মূল্য) $0.068/kWh এবং $4.5/kg হাইড্রোজেন42। অধিকন্তু, নবায়নযোগ্য বিদ্যুতের ভবিষ্যৎ খরচ $0.03/kWh এবং হাইড্রোজেন $2.3/kg এর সাথে মিলিত হলে, FA বর্জ্য জলের লক্ষ্যমাত্রা 1.3 মিলিয়নে হ্রাস পায়, যার ফলে চূড়ান্ত উৎপাদন খরচ 0.66 US$43/kg হবে। এটি বর্তমান বাজার মূল্যের সাথে তুলনীয়। সুতরাং, ইলেকট্রোড উপকরণ এবং কাঠামোর উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করা ভবিষ্যতের প্রচেষ্টাগুলি অ্যানোডাইজেশন আরও কমাতে পারে এবং কম কোষ ভোল্টেজে উচ্চ LC ঘনত্ব তৈরি করতে পারে।
সংক্ষেপে, আমরা ফর্মিক অ্যাসিডে CO2 হ্রাসের জন্য বেশ কয়েকটি শূন্য-ব্যবধান MEA কাঠামো অধ্যয়ন করেছি এবং ফলস্বরূপ ফর্মিক অ্যাসিডের জন্য ঝিল্লি ভর স্থানান্তর ইন্টারফেসকে সহজতর করার জন্য একটি ছিদ্রযুক্ত ক্যাটেশন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (PECM) সহ একটি যৌগিক ফরোয়ার্ড-বায়াসড বাইপোলার মেমব্রেন ধারণকারী একটি কাঠামো প্রস্তাব করেছি। । এই কনফিগারেশনটি 0.25 M পর্যন্ত ঘনত্বে (3.3 mL/মিনিটের অ্যানোড DI প্রবাহ হারে) 96% থেকে বেশি ফর্মিক অ্যাসিড তৈরি করে। উচ্চ DI প্রবাহ হারে (25 mL/মিনিট), এই কনফিগারেশনটি 25 cm2 কোষ এলাকা ব্যবহার করে 1.7 V এ 200 mA/cm2 এর 80% FE এর বর্তমান ঘনত্ব প্রদান করে। মাঝারি অ্যানোডিক DI হারে (10 mL/মিনিট), PECM কনফিগারেশন 200 mA/cm2 এ 55 ঘন্টা পরীক্ষার জন্য স্থিতিশীল ভোল্টেজ এবং উচ্চ ফর্মিক অ্যাসিড FE স্তর বজায় রাখে। বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ অনুঘটক এবং পলিমারিক মেমব্রেন উপকরণ দ্বারা অর্জিত উচ্চ স্থিতিশীলতা এবং নির্বাচনীতা অপ্টিমাইজড ইলেক্ট্রোক্যাটালিস্টদের সাথে একত্রিত করে আরও উন্নত করা যেতে পারে। পরবর্তী কাজটি অপারেটিং অবস্থা, অ্যানোড অনুঘটক নির্বাচন এবং MEA কাঠামো সামঞ্জস্য করার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করবে যাতে ফর্মিক অ্যাসিড জারণ কমানো যায়, যার ফলে কম কোষ ভোল্টেজে আরও ঘনীভূত বর্জ্য পদার্থ নির্গত হয়। এখানে উপস্থাপিত ফর্মিক অ্যাসিডের জন্য কার্বন ডাই অক্সাইড ব্যবহারের সহজ পদ্ধতি অ্যানোলাইট এবং ক্যাথোলাইট চেম্বার, স্যান্ডউইচ উপাদান এবং বিশেষ উপকরণের প্রয়োজনীয়তা দূর করে, যার ফলে কোষের শক্তি দক্ষতা বৃদ্ধি পায় এবং সিস্টেমের জটিলতা হ্রাস পায়, যার ফলে স্কেল বৃদ্ধি করা সহজ হয়। প্রস্তাবিত কনফিগারেশনটি প্রযুক্তিগত এবং অর্থনৈতিকভাবে কার্যকর CO2 রূপান্তর প্ল্যান্টের ভবিষ্যতের উন্নয়নের জন্য একটি প্ল্যাটফর্ম প্রদান করে।
অন্যথায় উল্লেখ না করা হলে, সমস্ত রাসায়নিক গ্রেড উপকরণ এবং দ্রাবক প্রাপ্ত হিসাবে ব্যবহার করা হয়েছিল। বিসমাথ অক্সাইড অনুঘটক (Bi2O3, 80 nm) US Research Nanomaterials, Inc থেকে কেনা হয়েছিল। পলিমার পাউডার (AP1-CNN8-00-X) IONOMR দ্বারা সরবরাহ করা হয়েছিল। Omnisolv® ব্র্যান্ড N-propanol (nPA) এবং অতি-বিশুদ্ধ জল (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 জল পরিশোধন ব্যবস্থা) Millipore Sigma থেকে কেনা হয়েছিল। ACS সার্টিফাইড মিথানল এবং অ্যাসিটোন যথাক্রমে VWR কেমিক্যালস BDH® এবং ফিশার কেমিক্যাল থেকে কেনা হয়েছিল। 6.5 wt ঘনত্বের পলিমার বিচ্ছুরণ পেতে পলিমার পাউডারটি ওজন অনুসারে 1:1 অনুপাতে অ্যাসিটোন এবং মিথানলের মিশ্রণের সাথে মিশ্রিত করা হয়েছিল। 30 মিলি জারে 20 গ্রাম Bi2O3, অতি-বিশুদ্ধ জল, nPA এবং আয়নোমার বিচ্ছুরণ মিশিয়ে অনুঘটক কালি প্রস্তুত করুন। এই মিশ্রণে ৩০ ওয়াট.% অনুঘটক ছিল, আয়নোমার থেকে অনুঘটকের ভর অনুপাত ০.০২ এবং অ্যালকোহলের ভর অনুপাত জল থেকে ২:৩ (৪০ ওয়াট.% nPA) ছিল। মিশ্রণে ৭০ গ্রাম গ্লেন মিলস ৫ মিমি জিরকোনিয়া গ্রাইন্ডিং উপাদান যোগ করা হয়েছিল। নমুনাগুলি একটি ফিশারব্র্যান্ড™ ডিজিটাল বোতল রোলারে ৮০ আরপিএমে ২৬ ঘন্টার জন্য রাখা হয়েছিল। প্রয়োগের আগে কালিটি ২০ মিনিটের জন্য বসতে দিন। Bi2O3 কালিটি একটি কোয়ালটেক অটোমেটিক অ্যাপ্লিকেটরে (QPI-AFA6800) 1/2″ x 16″ ল্যাবরেটরি ওয়্যারওয়াউন্ড রিফিল (RD স্পেশালিটিস - 60 মিলি ব্যাস) ব্যবহার করে ২২°C তাপমাত্রায় প্রয়োগ করা হয়েছিল। ৫ মিলি অনুঘটক কালি একটি ৭.৫ x ৮ ইঞ্চি সিগ্রাসেট ৩৯ বিবি কার্বন গ্যাস ডিফিউশন ক্যারিয়ার (ফুয়েল সেল স্টোরেজ) তে রড ডিপোজিশনের মাধ্যমে ৫৫ মিমি/সেকেন্ডের একটি নির্দিষ্ট গড় গতিতে প্রয়োগ করা হয়েছিল। এই প্রলিপ্ত ইলেক্ট্রোডগুলিকে একটি ওভেনে স্থানান্তর করুন এবং ৮০ °C তাপমাত্রায় শুকিয়ে নিন। রড আবরণ প্রক্রিয়া এবং GDE আবরণের চিত্র চিত্র S4a এবং b-তে দেখানো হয়েছে। একটি এক্স-রে ফ্লুরোসেন্স (XRF) যন্ত্র (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) নিশ্চিত করেছে যে আবরণযুক্ত GDE লোডিং ছিল 3.0 mg Bi2O3/cm2।
অ্যানিয়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (AEM) এবং ছিদ্রযুক্ত CEM ধারণকারী কম্পোজিট মেমব্রেন কনফিগারেশনের জন্য। 15 µm নামমাত্র পুরুত্বের Nafion NC700 (Chemours, USA) CEM স্তর হিসেবে ব্যবহার করা হয়েছিল। 0.83 আয়নোমার থেকে কার্বন অনুপাত এবং 25 cm2 কভারেজ এলাকা সহ অ্যানোডিক অনুঘটকটি সরাসরি FEM-এর উপর স্প্রে করা হয়েছিল। 0.25 mg Pt/cm2 লোডিং সহ একটি বৃহৎ পৃষ্ঠ এলাকা (50 wt.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA মূল্যবান ধাতু) সহ সমর্থিত প্ল্যাটিনামটি অ্যানোড অনুঘটক হিসেবে ব্যবহার করা হয়েছিল। অনুঘটকের অ্যানোড স্তরের জন্য আয়নোমার হিসেবে Nafion D2020 (আয়ন পাওয়ার, USA) ব্যবহার করা হয়েছিল। CEM ফিল্মের উপর 3 মিমি ব্যবধানে সমান্তরাল রেখা কেটে CEM ছিদ্র করা হয়। ছিদ্র প্রক্রিয়ার বিশদ চিত্র S12b এবং c-তে দেখানো হয়েছে। এক্স-রে কম্পিউটেড টোমোগ্রাফি ব্যবহার করে নিশ্চিত করা হয়েছে যে ছিদ্রের ব্যবধান 32.6 μm, যেমন চিত্র S12d এবং e-তে দেখানো হয়েছে। কোষ সমাবেশের সময়, একটি অনুঘটক-আবৃত ছিদ্রযুক্ত CEM ঝিল্লি 25 cm2 টোরে কাগজে (5 wt% PTFE ট্রিটেড, ফুয়েল সেল স্টোর, USA) স্থাপন করা হয়েছিল। CEM-এর উপরে এবং তারপর GDE ক্যাথোডে 25, 40 বা 80 μm পুরুত্বের একটি AEM ঝিল্লি (PiperION, Versogen, USA) স্থাপন করা হয়েছিল। AEM ঝিল্লিটি 7.5 × 7.5 সেমি টুকরো করে কেটে পুরো প্রবাহ ক্ষেত্রটি ঢেকে ফেলা হয়েছিল এবং সমাবেশের আগে 1 M পটাসিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণে রাতারাতি ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল। অ্যানোড এবং ক্যাথোড উভয়ই PTFE স্পেসার ব্যবহার করে যা 18% এর সর্বোত্তম GDE সংকোচন অর্জনের জন্য যথেষ্ট পুরু। ব্যাটারি সমাবেশ প্রক্রিয়ার বিশদ চিত্র S12a-তে দেখানো হয়েছে।
পরীক্ষার সময়, অ্যাসেম্বল করা কোষটি ৬০ °C (তাপমাত্রা নির্ভরতা অধ্যয়নের জন্য ৩০, ৬০ এবং ৮০ °C) তাপমাত্রায় বজায় রাখা হয়েছিল, অ্যানোডে ০.৮ লিটার/মিনিট হাইড্রোজেন গ্যাস এবং ক্যাথোডে ২ লিটার/মিনিট কার্বন ডাই অক্সাইড সরবরাহ করা হয়েছিল। অ্যানোডিক এবং ক্যাথোডিক উভয় বায়ু প্রবাহকে ১০০% আপেক্ষিক আর্দ্রতা এবং ২৫৯ kPa পরম ক্যাথোডিক চাপে আর্দ্র করা হয়েছিল। অপারেশন চলাকালীন, ক্যাথোড অনুঘটক বিছানা এবং আয়নিক পরিবাহনের ব্যবহার বৃদ্ধির জন্য ক্যাথোড গ্যাস প্রবাহকে ২ মিলি/মিনিট হারে ১ M KOH দ্রবণের সাথে মিশ্রিত করা হয়েছিল। অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিড অপসারণের জন্য ১০ মিলি/মিনিট হারে ডিআয়নাইজড জলের সাথে অ্যানোড গ্যাসের একটি প্রবাহ মিশ্রিত করুন। ডিভাইসের ইনপুট এবং আউটপুটগুলির বিশদ চিত্র S5 এ দেখানো হয়েছে। ক্যাথোড নিষ্কাশন গ্যাসে CO2 থাকে এবং CO এবং H2 উৎপন্ন করে। জলীয় বাষ্প একটি কনডেন্সারের মাধ্যমে অপসারণ করা হয় (২°C তাপমাত্রায় নিম্ন তাপমাত্রার তাপ এক্সচেঞ্জার)। অবশিষ্ট গ্যাস গ্যাস সময় বিশ্লেষণের জন্য সংগ্রহ করা হবে। অ্যানোড প্রবাহটি তরল থেকে গ্যাস আলাদা করার জন্য একটি কনডেন্সারের মধ্য দিয়েও যাবে। বর্জ্য জল পরিষ্কার শিশিতে সংগ্রহ করা হবে এবং তরল ক্রোনোমেট্রি ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হবে যাতে উৎপাদিত ফর্মিক অ্যাসিডের পরিমাণ পরিমাপ করা যায়। গার্মি পোটেনটিওস্ট্যাট (রেফারেন্স নম্বর 30K, গ্যামরি, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র) ব্যবহার করে তড়িৎ রাসায়নিক পরীক্ষা করা হয়েছিল। পোলারাইজেশন বক্ররেখা পরিমাপ করার আগে, কোষটিকে 0 থেকে 250 mA/cm2 পরিসরে 4 বার কন্ডিশন করা হয়েছিল যার স্ক্যান হার 2.5 mA/cm2। গ্যালভানোস্ট্যাটিক মোডে পোলারাইজেশন বক্ররেখা পাওয়া গিয়েছিল যেখানে কোষটি একটি নির্দিষ্ট কারেন্ট ঘনত্বে 4 মিনিট ধরে ধরে রাখা হয়েছিল এবং ক্যাথোড গ্যাস এবং অ্যানোলাইট তরল নমুনা নেওয়া হয়েছিল।
ক্যাথোড এবং অ্যানোডিক পটেনশিয়াল আলাদা করার জন্য আমরা MEA-তে একটি হাইড্রোজেন রেফারেন্স ইলেক্ট্রোড ব্যবহার করি। রেফারেন্স ইলেক্ট্রোডের গঠন চিত্র S6a-তে দেখানো হয়েছে। MEA মেমব্রেন এবং রেফারেন্স ইলেক্ট্রোডকে সংযুক্ত করার জন্য একটি আয়নিক সেতু হিসেবে একটি Nafion মেমব্রেন (Nafion 211, IonPower, USA) ব্যবহার করা হয়েছিল। Nafion স্ট্রিপের এক প্রান্ত 0.25 mg Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA মূল্যবান ধাতু) দিয়ে লোড করা 1 cm2 গ্যাস ডিফিউশন ইলেক্ট্রোড (GDE) এর সাথে সংযুক্ত ছিল যা 29BC কার্বন পেপারে (ফুয়েল সেল স্টোর, USA) স্পুটার করা হয়েছিল। GDE এবং Nafion স্ট্রিপের মধ্যে গ্যাস সিল করতে এবং ভাল যোগাযোগ নিশ্চিত করতে এবং রেফারেন্স ইলেক্ট্রোডকে জ্বালানি সেল হার্ডওয়্যারের সাথে সংযুক্ত করতে বিশেষ পলিথেরেথারকেটোন (PEEK) হার্ডওয়্যার ব্যবহার করা হয়। Nafion স্ট্রিপের অন্য প্রান্তটি CEM ব্যাটারির প্রসারিত প্রান্তের সাথে সংযুক্ত। চিত্র S6b MEA-এর সাথে সংহত রেফারেন্স ইলেক্ট্রোডের ক্রস-সেকশন দেখায়।
নিষ্কাশন গ্যাস কনডেন্সার এবং গ্যাস-তরল বিভাজকের মধ্য দিয়ে যাওয়ার পর, ক্যাথোড থেকে গ্যাসের নমুনা নেওয়া হয়। সংগৃহীত গ্যাসটি 4900 মাইক্রো জিসি (10 μm আণবিক চালুনি, অ্যাজিলেন্ট) ব্যবহার করে কমপক্ষে তিনবার বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। নমুনাগুলি একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য (30 সেকেন্ড) নিষ্ক্রিয় বহু-স্তর অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল গ্যাস নমুনা ব্যাগে সুপেল™ (সিগমা-অ্যালড্রিচ) সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং সংগ্রহের দুই ঘন্টার মধ্যে ম্যানুয়ালি মাইক্রোগ্যাস ক্রোমাটোগ্রাফে ঢোকানো হয়েছিল। ইনজেকশন তাপমাত্রা 110°C এ সেট করা হয়েছিল। কার্বন মনোক্সাইড (CO) এবং হাইড্রোজেন (H2) কে একটি উত্তপ্ত (105 °C) চাপযুক্ত (28 psi) 10 m MS5A কলামে আর্গন (ম্যাথেসন গ্যাস-ম্যাথেসন পিউরিটি) কে বাহক গ্যাস হিসাবে ব্যবহার করে আলাদা করা হয়েছিল। এই সংযোগগুলি অন্তর্নির্মিত তাপীয় পরিবাহীতা সনাক্তকারী (TCD) ব্যবহার করে সনাক্ত করা হয়। GC ক্রোমাটোগ্রাম এবং CO এবং H2 ক্যালিব্রেশন বক্ররেখা চিত্র S7 এ দেখানো হয়েছে। তরল ফর্মিক অ্যাসিডের নমুনাগুলি একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য (১২০ সেকেন্ড) অ্যানোড থেকে সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং ০.২২ μm PTFE সিরিঞ্জ ফিল্টার ব্যবহার করে ২ মিলি শিশিতে ফিল্টার করা হয়েছিল। শিশিতে থাকা তরল পণ্যগুলি Agilent 1260 Infinity II bioinert উচ্চ-কার্যক্ষমতাসম্পন্ন তরল ক্রোমাটোগ্রাফি (HPLC) সিস্টেম ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হয়েছিল, যেখানে 20 μl নমুনা একটি অটোস্যাম্পলার (G5668A) এর মাধ্যমে 4 mM সালফিউরিক অ্যাসিড (H2SO4) এর একটি মোবাইল ফেজ সহ ইনজেক্ট করা হয়েছিল। ) 0.6 মিলি/মিনিট (কোয়াটারনারি পাম্প G5654A) প্রবাহ হারে। পণ্যগুলিকে একটি উত্তপ্ত (35°C, কলাম ওভেন G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7.8 মিমি (বায়ো-র্যাড) এ আলাদা করা হয়েছিল যা একটি মাইক্রো-গার্ড ক্যাশন H গার্ড কলামের আগে ছিল। একটি ডায়োড অ্যারে ডিটেক্টর (DAD) ব্যবহার করে ফর্মিক অ্যাসিড সনাক্ত করা হয়েছিল। 210 nm তরঙ্গদৈর্ঘ্য এবং 4 nm ব্যান্ডউইথ সহ। এইচপিএল ক্রোমাটোগ্রাম এবং ফর্মিক অ্যাসিড স্ট্যান্ডার্ড ক্যালিব্রেশন বক্ররেখা চিত্র S7 এ দেখানো হয়েছে।
গ্যাসের উৎপাদ (CO এবং H2) FE নিম্নলিখিত সমীকরণ ব্যবহার করে গণনা করা হয়, এবং আদর্শ গ্যাস সমীকরণ ব্যবহার করে গ্যাসের মোট মোল গণনা করা হয়:
এর মধ্যে: \({n}_{i}\): একটি তড়িৎ রাসায়নিক বিক্রিয়ায় ইলেকট্রনের সংখ্যা। \(F\): ফ্যারাডের ধ্রুবক। \({C}_{i}\): HPLC তরল উৎপাদ ঘনত্ব। \(V\): একটি নির্দিষ্ট সময়ে সংগৃহীত তরল নমুনার আয়তন t. \(j\): বর্তমান ঘনত্ব। \(A\): ইলেক্ট্রোডের জ্যামিতিক ক্ষেত্রফল (25 cm2)। \(t\): নমুনা সময়কাল। \(P\): পরম চাপ। \({x}_{i}\): GC দ্বারা নির্ধারিত গ্যাসের মোল শতাংশ। \(R\): গ্যাস ধ্রুবক। \(T\): তাপমাত্রা।
অ্যানোডিক ক্যাটেশনের ঘনত্ব পরিমাপ করা হয়েছিল ইন্ডাক্টিভলি কাপলড প্লাজমা অ্যাটমিক এমিশন স্পেকট্রোস্কোপি (ICP-OES) ব্যবহার করে। অ্যানোডে যেসব ক্যাটেশন লিচ বা ডিফিউজ হতে পারে তার মধ্যে রয়েছে Ti, Pt, Bi এবং K। K ব্যতীত, অন্যান্য সমস্ত ক্যাটেশন সনাক্তকরণ সীমার নিচে ছিল। প্রোটন বা অন্যান্য ক্যাটেশনের সাথে অ্যানোড রেখে দ্রবণে আয়ন তৈরি করে। অতএব, ফর্মিক অ্যাসিডের বিশুদ্ধতা গণনা করা যেতে পারে
ফর্মেট/এফএ উৎপাদন একটি নির্দিষ্ট MEA কনফিগারেশন ব্যবহার করে প্রতি kWh বিদ্যুতের উৎপাদিত FA পরিমাণকে mol/kWh-এ প্রতিনিধিত্ব করে। এটি নির্দিষ্ট অপারেটিং অবস্থার অধীনে বর্তমান ঘনত্ব, কোষের ভোল্টেজ এবং ফ্যারাডে দক্ষতার উপর ভিত্তি করে গণনা করা হয়।
সামগ্রিক ভর ভারসাম্যের উপর ভিত্তি করে অ্যানোডে জারিত ফর্মিক অ্যাসিডের পরিমাণ গণনা করুন। ক্যাথোডে তিনটি প্রতিযোগী বিক্রিয়া ঘটে: হাইড্রোজেন বিবর্তন, CO2 থেকে CO হ্রাস এবং CO2 থেকে ফর্মিক অ্যাসিড হ্রাস। যেহেতু অ্যান্টনে ফর্মিক অ্যাসিড জারণ প্রক্রিয়া রয়েছে, তাই ফর্মিক অ্যাসিড FE কে দুটি ভাগে ভাগ করা যেতে পারে: ফর্মিক অ্যাসিড সংগ্রহ এবং ফর্মিক অ্যাসিড জারণ। সামগ্রিক ভর ভারসাম্য এইভাবে লেখা যেতে পারে:
HPLC দ্বারা সংগৃহীত ফর্মিক অ্যাসিড, হাইড্রোজেন এবং CO এর পরিমাণ পরিমাপ করার জন্য আমরা GC ব্যবহার করেছি। এটি লক্ষ করা উচিত যে বেশিরভাগ ফর্মিক অ্যাসিড পরিপূরক চিত্র S5-এ দেখানো সেটআপ ব্যবহার করে অ্যানোড থেকে সংগ্রহ করা হয়েছিল। ক্যাথোড চেম্বার থেকে সংগৃহীত ফর্মেটের পরিমাণ নগণ্য, প্রায় দুই ক্রম কম, এবং SC এর মোট পরিমাণের 0.5% এরও কম।
এখানে ব্যবহৃত অবিচ্ছিন্ন পরিবহন মডেলটি পূর্ববর্তী অনুরূপ সিস্টেমের উপর করা কাজের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়েছে34। ইলেকট্রনিক এবং আয়নিকভাবে পরিবাহী পর্যায়ে জলের ঘনত্ব এবং তড়িৎ বিভব নির্ধারণের জন্য পয়সন-নর্স্ট-প্ল্যাঙ্ক (PNP) সমীকরণের একটি সংযুক্ত সিস্টেম ব্যবহার করা হয়। অন্তর্নিহিত সমীকরণ এবং মডেল জ্যামিতির একটি বিশদ সারসংক্ষেপ SI-তে দেওয়া হয়েছে।
এই পদ্ধতি আটটি জলীয় পদার্থের ঘনত্ব নির্ধারণ করে (\({{{{{{\rm{C}}}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}}}_{2 \left ({{{{{\rm{aq}}}}}}}}\right)}\), \({{{{{{\rm{H}}}}}}^{+ }\), \ ({{{{{{\rm{O}}}}}}}}}^{-}\), \({{{{{{\rm{HCO}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{{{\rm{HCOOH}}}}}}}}}}}), \({{{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}^{- }\) এবং \({{{{ {{{\rm{K}}}}}^{+}}), আয়নিক পরিবাহী পর্যায়ে (\({\phi }_{I}\ )) এবং অ্যানোডিক এবং ক্যাথোডিক ইলেকট্রন পরিবাহিতায় ইলেকট্রস্ট্যাটিক বিভব এবং অ্যানোডিক এবং ক্যাথোডিক ইলেকট্রন পরিবাহিতা। পর্যায়ক্রমে (\({\phi }_{A}\) এবং \({\phi }_{C}\) তড়িৎস্থিতিশীল বিভব। পরিবর্তে, স্থানীয় বৈদ্যুতিক নিরপেক্ষতা বা চার্জ বিতরণ ফাংশনগুলি উপলব্ধি করা হয় না, স্থান চার্জ অঞ্চলটি সরাসরি পয়সনের সমীকরণ ব্যবহার করে সমাধান করা হয়; এই পদ্ধতিটি আমাদের CEM|AEM, CEM|পোর এবং AEM|পোর ইন্টারফেসে ডনান বিকর্ষণ প্রভাবগুলিকে সরাসরি মডেল করার অনুমতি দেয়। এছাড়াও, অনুঘটকের অ্যানোডিক এবং ক্যাথোডিক স্তরগুলিতে চার্জ পরিবহন বর্ণনা করার জন্য ছিদ্রযুক্ত ইলেকট্রোড তত্ত্ব (PET) ব্যবহার করা হয়। লেখকদের সর্বোত্তম জ্ঞান অনুসারে, এই কাজটি একাধিক স্থান চার্জ অঞ্চল সহ সিস্টেমে PET-এর প্রথম প্রয়োগের প্রতিনিধিত্ব করে।
GDE BOT এবং EOT ক্যাথোড নমুনাগুলি Zeiss Xradia 800 Ultra ব্যবহার করে পরীক্ষা করা হয়েছিল যার 8.0 keV এক্স-রে উৎস, শোষণ এবং প্রশস্ত ক্ষেত্র মোড এবং চিত্র সংযোজন ছিল। 901 টি চিত্র -90° থেকে 90° পর্যন্ত সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং 50 সেকেন্ডের এক্সপোজার সময় ছিল। 64 nm ভক্সেল আকারের একটি ব্যাক প্রজেকশন ফিল্টার ব্যবহার করে পুনর্গঠন করা হয়েছিল। বিশেষভাবে লিখিত কোড ব্যবহার করে বিভাজন এবং কণা আকার বিতরণ বিশ্লেষণ করা হয়েছিল।
ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপিক ক্যারেক্টারাইজেশনের মধ্যে রয়েছে হীরার ছুরি দিয়ে অতি পাতলা সেকশনিংয়ের প্রস্তুতির জন্য পরীক্ষামূলক MEA গুলিকে ইপোক্সি রেজিনে এমবেড করা। প্রতিটি MEA-এর ক্রস সেকশন 50 থেকে 75 nm পুরুত্বে কাটা হয়েছিল। ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (STEM) এবং এনার্জি-ডিসপারসিভ এক্স-রে স্পেকট্রোস্কোপি (EDS) পরিমাপ স্ক্যান করার জন্য একটি Talos F200X ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ (থার্মো ফিশার সায়েন্টিফিক) ব্যবহার করা হয়েছিল। মাইক্রোস্কোপটি 4টি জানালাবিহীন SDD ডিটেক্টর সহ একটি EDS সুপার-এক্স সিস্টেম দিয়ে সজ্জিত এবং 200 kV তে কাজ করে।
পাউডার এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন (PXRD) একটি ব্রুকার অ্যাডভান্স D8 পাউডার এক্স-রে ডিফ্র্যাক্টোমিটারে প্রাপ্ত হয়েছিল যার Ni-ফিল্টার করা Cu Kα বিকিরণ 40 kV এবং 40 mA এ কাজ করে। স্ক্যানিং রেঞ্জ 10° থেকে 60°, ধাপের আকার 0.005° এবং ডেটা অর্জনের গতি প্রতি ধাপে 1 সেকেন্ড।
Bi2O3 Bi L3 অনুঘটকের প্রান্তে RAS বর্ণালীটি একটি বাড়িতে তৈরি কোষ ব্যবহার করে বিভবের ফাংশন হিসাবে পরিমাপ করা হয়েছিল। Bi2O3 অনুঘটক আয়নোমার কালি 26.1 মিলিগ্রাম Bi2O3 156.3 μL আয়নোমার দ্রবণ (6.68%) এর সাথে মিশিয়ে তৈরি করা হয়েছিল এবং 1 M KOH, জল (157 μL) এবং আইসোপ্রোপাইল অ্যালকোহল (104 μL) দিয়ে নিরপেক্ষ করে আয়নোমার কালি পাওয়া যায়। অনুঘটক সহগ 0.4। Bi2O3 অনুঘটক লোডিং 0.5 mg/cm2 এ না পৌঁছানো পর্যন্ত আয়তাকার দাগে (10×4 মিমি) গ্রাফিন শীটে কালি প্রয়োগ করা হয়েছিল। এই অঞ্চলগুলিকে ইলেক্ট্রোলাইট থেকে বিচ্ছিন্ন করার জন্য গ্রাফিন শীটের বাকি অংশটি ক্যাপ্টন দিয়ে প্রলেপ দেওয়া হয়েছিল। অনুঘটক-আবৃত গ্রাফিন শীটটি দুটি PTFE-এর মধ্যে ঢোকানো হয়েছিল এবং স্ক্রু দিয়ে কোষের দেহে (PEEK) সুরক্ষিত করা হয়েছিল, চিত্র S8। Hg/HgO (1 M NaOH) রেফারেন্স ইলেক্ট্রোড হিসাবে কাজ করেছিল এবং কার্বন পেপার কাউন্টার ইলেক্ট্রোড হিসাবে কাজ করেছিল। Hg/HgO রেফারেন্স ইলেক্ট্রোডটি হাইড্রোজেন-স্যাচুরেটেড 0.1 M KOH-তে নিমজ্জিত একটি প্ল্যাটিনাম তার ব্যবহার করে ক্যালিব্রেট করা হয়েছিল যাতে সমস্ত পরিমাপিত বিভবকে একটি বিপরীতমুখী হাইড্রোজেন ইলেক্ট্রোড (RHE) স্কেলে রূপান্তর করা যায়। 0.1 M KOH-তে নিমজ্জিত Bi2O3/গ্রাফিন শিট ওয়ার্কিং ইলেক্ট্রোডের বিভব পর্যবেক্ষণ করে XRD স্পেকট্রা পাওয়া যায়, যা 30 °C তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়। ইলেক্ট্রোলাইটটি ব্যাটারিতে সঞ্চালিত হয়, কোষের নীচে ইলেক্ট্রোলাইট ইনলেট এবং উপরে আউটলেট থাকে যাতে বুদবুদ তৈরি হওয়ার সময় ইলেক্ট্রোলাইট অনুঘটক স্তরের সাথে যোগাযোগ করে। একটি CH যন্ত্র 760e পোটেনটিওস্ট্যাট ব্যবহার করা হয়েছিল কার্যকরী ইলেক্ট্রোড বিভব নিয়ন্ত্রণ করতে। বিভব ক্রমটি ছিল একটি ওপেন সার্কিট বিভব: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 এবং +700 mV RHE-এর উপর নির্ভর করে। সমস্ত iR বিভব সমন্বয় করা হয়েছে।
Bi L3 প্রান্ত (~13424 eV Bi ধাতুর জন্য) এক্স-রে শোষণ সূক্ষ্ম কাঠামো (XAFS) বর্ণালীটি চ্যানেল 10-ID, অ্যাডভান্সড ফোটন সোর্স (APS), আর্গোন ন্যাশনাল ফ্লুরোসেন্স ল্যাবরেটরি। ন্যাশনাল মডেল মেজারমেন্ট ল্যাবরেটরিতে সঞ্চালিত হয়েছিল। এক্স-রে শক্তি সুর করার জন্য তরল নাইট্রোজেন দিয়ে ঠান্ডা করা একটি দুই-স্ফটিক Si(111) মনোক্রোমেটর ব্যবহার করা হয়েছিল এবং সুরেলা উপাদানকে ক্ষীণ করার জন্য একটি রোডিয়াম-কোটেড আয়না ব্যবহার করা হয়েছিল। স্ক্যান শক্তি 13200 থেকে 14400 eV পর্যন্ত পরিবর্তিত হয়েছিল এবং ফিল্টার বা সোলার স্লিট ছাড়াই 5 × 5 সিলিকন পিন ডায়োড অ্যারে ব্যবহার করে প্রতিপ্রভ পরিমাপ করা হয়েছিল। দ্বিতীয় ডেরিভেটিভের শূন্য ক্রসিং শক্তি Pt ফয়েলের L2 প্রান্তের মাধ্যমে 13271.90 eV এ ক্যালিব্রেট করা হয়। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কোষের পুরুত্বের কারণে, রেফারেন্স স্ট্যান্ডার্ডের বর্ণালী একই সাথে পরিমাপ করা সম্ভব ছিল না। সুতরাং, পরীক্ষা জুড়ে বারবার পরিমাপের উপর ভিত্তি করে ঘটনার এক্স-রে শক্তিতে গণনা করা স্ক্যান-টু-স্ক্যান পরিবর্তন হল ±0.015 eV। Bi2O3 স্তরের পুরুত্ব ফ্লুরোসেন্সের একটি নির্দিষ্ট মাত্রার স্ব-শোষণের দিকে পরিচালিত করে; ইলেক্ট্রোডগুলি ঘটনা রশ্মি এবং ডিটেক্টরের সাপেক্ষে একটি স্থির অভিযোজন বজায় রাখে, যা সমস্ত স্ক্যানকে কার্যত অভিন্ন করে তোলে। অ্যাথেনা সফ্টওয়্যারের (সংস্করণ 0.9.26) রৈখিক সংমিশ্রণ ফিটিং অ্যালগরিদম ব্যবহার করে Bi এবং Bi2O3 মানগুলির XANES অঞ্চলের সাথে তুলনা করে বিসমাথের জারণ অবস্থা এবং রাসায়নিক রূপ নির্ধারণের জন্য নিয়ার-ফিল্ড XAFS বর্ণালী ব্যবহার করা হয়েছিল। কোড IFEFFIT 44 দ্বারা।
এই প্রবন্ধের পরিসংখ্যান এবং এই গবেষণার অন্যান্য সিদ্ধান্তের সমর্থনকারী তথ্য সংশ্লিষ্ট লেখকের কাছ থেকে যুক্তিসঙ্গত অনুরোধের ভিত্তিতে পাওয়া যাবে।
ক্র্যান্ডাল বিএস, ব্রিক্স টি., ওয়েবার আরএস এবং জিয়াও এফ. সবুজ মিডিয়া সরবরাহ শৃঙ্খলের প্রযুক্তিগত-অর্থনৈতিক মূল্যায়ন H2. শক্তি জ্বালানি 37, 1441–1450 (2023)।
ইউনাস এম, রেজাকাজেমি এম, আরবাব এমএস, শাহ জে এবং রেহমান ভি। গ্রিন হাইড্রোজেন স্টোরেজ এবং ডেলিভারি: অত্যন্ত সক্রিয় সমজাতীয় এবং ভিন্নধর্মী অনুঘটক ব্যবহার করে ফর্মিক অ্যাসিডের ডিহাইড্রোজেনেশন। আন্তর্জাতিকতা। জে. গিড্রগ। এনার্জি 47, 11694–11724 (2022)।
নি, আর. প্রমুখ। ভিন্নধর্মী রূপান্তর ধাতু অনুঘটকের উপর ফর্মিক অ্যাসিডের অনুঘটক স্থানান্তর হাইড্রোজেনেশনের সাম্প্রতিক অগ্রগতি। AKS ক্যাটালগ। 11, 1071–1095 (2021)।
রহিমি, এ., উলব্রিচ, এ., কুহন, জেজে, এবং স্টাহল, এসএস ফর্মিক অ্যাসিড-প্ররোচিত ডিপলিমারাইজেশন অক্সিডাইজড লিগনিনের সুগন্ধযুক্ত যৌগগুলিতে। প্রকৃতি 515, 249–252 (2014)।
শুলার ই. প্রমুখ। ফর্মিক অ্যাসিড CO2 ব্যবহারের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ মধ্যস্থতাকারী হিসেবে কাজ করে। সবুজ। রাসায়নিক। 24, 8227–8258 (2022)।
ঝোউ, এইচ. এট আল। কার্বোহাইড্রেট এবং লিগনিনের সামগ্রিক বৃদ্ধির জন্য ফ্লো-থ্রু ফর্মিক অ্যাসিড ব্যবহার করে জৈববস্তুর দ্রুত অ-ধ্বংসাত্মক ভগ্নাংশকরণ (≤15 মিনিট)। রসায়ন এবং রসায়ন 12, 1213–1221 (2019)।
ক্যালভি, সিএইচ এবং অন্যান্য। অ্যাডাপ্টিভ ল্যাবরেটরি ইভোলিউশনারি ইনফরমেশন ইঞ্জিনিয়ারিং ব্যবহার করে ফর্মেটে কিউপ্রিয়াভিডাস নেকেটর এইচ১৬ এর বর্ধিত বৃদ্ধি। মেটাবোলাইটস। ইঞ্জিনিয়ার। ৭৫, ৭৮–৯০ (২০২৩)।
ইশাই, ও. এবং লিন্ডনার, এস.এন. গঞ্জালেজ দে লা ক্রুজ, জে., টেনেনবোইম, এইচ. এবং বার-ইভেন, এ. ফর্ম্যাটের জৈব অর্থনীতি। বর্তমান। মতামত। রাসায়নিক। জীববিজ্ঞান। 35, 1–9 (2016)।