Nature.com-এ আসার জন্য আপনাকে ধন্যবাদ। আপনি যে ব্রাউজারটি ব্যবহার করছেন, সেটিতে CSS সাপোর্ট সীমিত। সর্বোত্তম ফলাফলের জন্য, আমরা আপনাকে ব্রাউজারের একটি নতুন সংস্করণ ব্যবহার করার পরামর্শ দিচ্ছি (অথবা ইন্টারনেট এক্সপ্লোরারে কম্প্যাটিবিলিটি মোড নিষ্ক্রিয় করুন)। আপাতত, নিরবচ্ছিন্ন সাপোর্ট নিশ্চিত করার জন্য, আমরা সাইটটি কোনো স্টাইলিং বা জাভাস্ক্রিপ্ট ছাড়াই প্রদর্শন করছি।
কার্বন ডাইঅক্সাইডকে ফরমিক অ্যাসিডে তড়িৎ-রাসায়নিকভাবে বিজারিত করা কার্বন ডাইঅক্সাইডের ব্যবহার উন্নত করার একটি সম্ভাবনাময় উপায় এবং হাইড্রোজেন সঞ্চয়ের মাধ্যম হিসেবে এর সম্ভাব্য প্রয়োগ রয়েছে। এই গবেষণায়, কার্বন ডাইঅক্সাইড থেকে সরাসরি তড়িৎ-রাসায়নিকভাবে ফরমিক অ্যাসিড সংশ্লেষণের জন্য একটি জিরো-গ্যাপ মেমব্রেন ইলেকট্রোড অ্যাসেম্বলি আর্কিটেকচার তৈরি করা হয়েছে। একটি প্রধান প্রযুক্তিগত অগ্রগতি হলো ছিদ্রযুক্ত ক্যাটায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন, যা একটি ফরোয়ার্ড বায়াসড বাইপোলার মেমব্রেন কনফিগারেশনে ব্যবহৃত হলে, মেমব্রেন ইন্টারফেসে গঠিত ফরমিক অ্যাসিডকে অ্যানোডিক প্রবাহ ক্ষেত্রের মাধ্যমে ০.২৫ M-এর মতো কম ঘনত্বেও অপসারিত হতে দেয়। অ্যানোড এবং ক্যাথোডের মধ্যে কোনো অতিরিক্ত স্যান্ডউইচ উপাদান ছাড়াই এই ধারণাটির লক্ষ্য হলো ফুয়েল সেল এবং হাইড্রোজেন ইলেকট্রোলাইসিসে প্রচলিত ব্যাটারির উপাদান ও নকশাকে কাজে লাগানো, যা উৎপাদন বৃদ্ধি এবং বাণিজ্যিকীকরণে দ্রুততর রূপান্তরে সহায়তা করবে। একটি ২৫ সেমি² সেলে, ছিদ্রযুক্ত ক্যাটায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন কনফিগারেশনটি <২ ভোল্ট এবং ৩০০ mA/cm² প্রবাহ হারে ফরমিক অ্যাসিডের জন্য >৭৫% ফ্যারাডে দক্ষতা প্রদান করে। আরও গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হলো, ২০০ mA/cm² প্রবাহ হারে একটি ৫৫-ঘণ্টার স্থিতিশীলতা পরীক্ষায় স্থিতিশীল ফ্যারাডে দক্ষতা এবং সেল ভোল্টেজ দেখা গেছে। বর্তমান ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদন পদ্ধতির সাথে ব্যয়ের সমতা অর্জনের উপায়গুলো তুলে ধরতে একটি প্রযুক্তিগত-অর্থনৈতিক বিশ্লেষণ ব্যবহার করা হয়েছে।
নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ ব্যবহার করে কার্বন ডাই অক্সাইডকে ফর্মিক অ্যাসিডে তড়িৎ-রাসায়নিকভাবে বিজারিত করার ফলে, প্রচলিত জীবাশ্ম জ্বালানি-ভিত্তিক পদ্ধতির তুলনায় উৎপাদন খরচ ৭৫%¹ পর্যন্ত হ্রাস পায় বলে দেখা গেছে। বিভিন্ন গবেষণাপত্রে²,³ যেমনটি উল্লেখ করা হয়েছে, ফর্মিক অ্যাসিডের ব্যাপক প্রয়োগ রয়েছে; হাইড্রোজেন সংরক্ষণ ও পরিবহনের একটি কার্যকর এবং সাশ্রয়ী উপায় থেকে শুরু করে রাসায়নিক শিল্প⁴,⁵ বা বায়োমাস শিল্প⁶-এর কাঁচামাল হিসেবে এর ব্যবহার পর্যন্ত। এমনকি মেটাবলিক ইঞ্জিনিয়ারিং⁷,⁸ ব্যবহার করে ফর্মিক অ্যাসিডকে পরবর্তীকালে টেকসই জেট ফুয়েল ইন্টারমিডিয়েটে রূপান্তরের জন্য একটি কাঁচামাল হিসেবেও চিহ্নিত করা হয়েছে। ফর্মিক অ্যাসিডের অর্থনৈতিক দিক¹,⁹ উন্নত হওয়ার সাথে সাথে, বেশ কিছু গবেষণা অনুঘটকের নির্বাচনক্ষমতা¹⁰,¹¹,¹²,¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶ অপ্টিমাইজ করার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছে। তবে, অনেক প্রচেষ্টা এখনও কম কারেন্ট ডেনসিটিতে (<৫০ mA/cm²) পরিচালিত ছোট H-সেল বা লিকুইড ফ্লো সেলের উপরই কেন্দ্রীভূত রয়েছে। খরচ কমাতে, বাণিজ্যিকীকরণ অর্জন করতে এবং পরবর্তীকালে বাজারে প্রবেশাধিকার বাড়াতে, ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কার্বন ডাই অক্সাইড রিডাকশন (CO2R) অবশ্যই উচ্চ কারেন্ট ডেনসিটি (≥200 mA/cm2) এবং ফ্যারাডে এফিসিয়েন্সি (FE)17-তে সম্পাদন করতে হবে, একই সাথে উপকরণের ব্যবহার সর্বাধিক করতে হবে এবং ফুয়েল সেল ও ওয়াটার ইলেক্ট্রোলাইসিস প্রযুক্তি থেকে ব্যাটারির উপাদান ব্যবহার করতে হবে, যা CO2R ডিভাইসগুলিকে ইকোনমিজ অফ স্কেলের সুবিধা নিতে সাহায্য করে18। এছাড়াও, উৎপাদনের উপযোগিতা বাড়াতে এবং অতিরিক্ত ডাউনস্ট্রিম প্রক্রিয়াকরণ এড়াতে, চূড়ান্ত পণ্য হিসাবে ফরমেট সল্টের পরিবর্তে ফর্মিক অ্যাসিড ব্যবহার করা উচিত19।
এই লক্ষ্যে, শিল্পক্ষেত্রে প্রাসঙ্গিক CO2R ফরমেট/ফরমিক অ্যাসিড ভিত্তিক গ্যাস ডিফিউশন ইলেকট্রোড (GDE) ডিভাইস তৈরির জন্য সাম্প্রতিক প্রচেষ্টা চালানো হয়েছে। ফার্নান্দেজ-কাসো প্রমুখের একটি বিশদ পর্যালোচনা²⁰ CO2-কে ফরমিক অ্যাসিড/ফরমেটে ক্রমাগত বিজারণের জন্য সমস্ত ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সেল কনফিগারেশনের সারসংক্ষেপ তুলে ধরেছে। সাধারণভাবে, সমস্ত বিদ্যমান কনফিগারেশনকে তিনটি প্রধান বিভাগে বিভক্ত করা যেতে পারে: ১. ফ্লো-থ্রু ক্যাথোলাইট¹⁹,²¹,²²,²³,²⁴,²⁵,²⁶,²⁷, ২. একক মেমব্রেন (ক্যাশন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (CEM)²⁸ বা অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (AEM)²⁹) এবং ৩. স্যান্ডউইচ কনফিগারেশন¹⁵,³⁰,³¹,³²। এই কনফিগারেশনগুলির সরলীকৃত ক্রস-সেকশন চিত্র 1a-তে দেখানো হয়েছে। ক্যাথোলাইটের ফ্লো কনফিগারেশনের জন্য, মেমব্রেন এবং GDE-এর ক্যাথোডের মধ্যে একটি ইলেক্ট্রোলাইট চেম্বার তৈরি করা হয়। অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরে আয়ন চ্যানেল তৈরি করতে ফ্লো-থ্রু ক্যাথোলাইট ব্যবহার করা হয়³³, যদিও ফরমেট সিলেক্টিভিটি নিয়ন্ত্রণের জন্য এর প্রয়োজনীয়তা বিতর্কিত³⁴। যাইহোক, চেন এবং তার সহকর্মীরা এই কনফিগারেশনটি ব্যবহার করেছিলেন। একটি কার্বন সাবস্ট্রেটের উপর SnO₂ ক্যাথোড এবং ১.২৭ মিমি পুরু ক্যাথোলাইট স্তর ব্যবহার করে, ৫০০ mA/cm²-এ ৯০% পর্যন্ত FE³⁵ অর্জন করা হয়েছিল। একটি পুরু ক্যাথোলাইট স্তর এবং একটি রিভার্স-বায়াসড বাইপোলার মেমব্রেন (বিপিএম)-এর সংমিশ্রণ, যা আয়ন স্থানান্তরকে সীমিত করে, ৬ ভোল্টের একটি অপারেটিং ভোল্টেজ এবং ১৫% শক্তি দক্ষতা প্রদান করে। শক্তি দক্ষতা উন্নত করার জন্য, লি এবং তার সহযোগীরা একটি একক সিইএম কনফিগারেশন ব্যবহার করে ৫১.৭ মিলিঅ্যাম্পিয়ার/বর্গসেমি-এর একটি আংশিক কারেন্ট ডেনসিটিতে ৯৩.৩%-এর একটি এফই ২৯ অর্জন করেছেন। দিয়াজ-সাইঞ্জ এবং তার সহযোগীরা ২৮ ৪৫ মিলিঅ্যাম্পিয়ার/বর্গসেমি-এর কারেন্ট ডেনসিটিতে একটি একক সিইএম মেমব্রেনসহ একটি ফিল্টার প্রেস ব্যবহার করেছেন। তবে, সমস্ত পদ্ধতিতেই কাঙ্ক্ষিত উৎপাদ, ফরমিক অ্যাসিডের পরিবর্তে ফরমেট তৈরি হয়েছে। অতিরিক্ত প্রক্রিয়াকরণের প্রয়োজনীয়তা ছাড়াও, সিইএম কনফিগারেশনগুলিতে, কেসিওওএইচ-এর মতো ফরমেটগুলি দ্রুত জিডিই এবং ফ্লো ফিল্ডে জমা হতে পারে, যা পরিবহনে বাধা সৃষ্টি করে এবং অবশেষে সেল বিকল করে দেয়।
তিনটি সর্বাধিক প্রচলিত CO2R থেকে ফরমেট/ফরমিক অ্যাসিড রূপান্তরকারী ডিভাইস কনফিগারেশন এবং এই গবেষণায় প্রস্তাবিত স্থাপত্যের তুলনা। খ) সাহিত্যে উল্লিখিত ক্যাথোলাইট কনফিগারেশন, স্যান্ডউইচ কনফিগারেশন, একক CEM কনফিগারেশন (পরিপূরক সারণি S1-এ দেখানো) এবং আমাদের কাজের জন্য মোট কারেন্ট এবং ফরমেট/ফরমিক অ্যাসিড উৎপাদনের তুলনা। খোলা চিহ্নগুলি ফরমেট দ্রবণ উৎপাদন নির্দেশ করে, এবং ভরাট চিহ্নগুলি ফরমিক অ্যাসিড উৎপাদন নির্দেশ করে। *অ্যানোডে হাইড্রোজেন ব্যবহার করে দেখানো কনফিগারেশন। গ) ফরওয়ার্ড বায়াস মোডে পরিচালিত একটি ছিদ্রযুক্ত ক্যাটায়ন বিনিময় স্তরসহ একটি যৌগিক বাইপোলার মেমব্রেন ব্যবহার করে জিরো-গ্যাপ MEA কনফিগারেশন।
ফরমেট গঠন প্রতিরোধ করার জন্য, প্রোইয়েত্তো এট আল. 32 একটি স্প্লিটলেস ফিল্টার প্রেস কনফিগারেশন ব্যবহার করেছিলেন যেখানে ডিআয়োনাইজড জল ইন্টারলেয়ারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়। সিস্টেমটি 50–80 mA/cm2 কারেন্ট ডেনসিটি পরিসরে >70% CE অর্জন করতে পারে। একইভাবে, ইয়াং এট আল. 14 ফরমিক অ্যাসিড গঠনকে উৎসাহিত করার জন্য CEM এবং AEM-এর মধ্যে একটি সলিড ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারলেয়ার ব্যবহারের প্রস্তাব করেছিলেন। ইয়াং এট আল. 31,36 200 mA/cm2-এ একটি 5 cm2 সেলে 91.3% FE অর্জন করেছিলেন, যা 6.35 wt% ফরমিক অ্যাসিড দ্রবণ তৈরি করে। জিয়া এট আল. একটি অনুরূপ কনফিগারেশন ব্যবহার করে, 200 mA/cm2-এ কার্বন ডাই অক্সাইড (CO2) থেকে ফরমিক অ্যাসিডে 83% রূপান্তর FE অর্জন করেছিলেন এবং সিস্টেমটির স্থায়িত্ব 100 ঘন্টা 30 মিনিটের জন্য পরীক্ষা করা হয়েছিল। যদিও ক্ষুদ্র পরিসরের ফলাফল আশাব্যঞ্জক, ছিদ্রযুক্ত আয়ন বিনিময় রেজিনের বর্ধিত খরচ এবং জটিলতার কারণে আন্তঃস্তরীয় বিন্যাসকে বৃহত্তর সিস্টেমে (যেমন, ১০০০ বর্গ সেমি) প্রসারিত করা কঠিন হয়ে পড়ে।
বিভিন্ন ডিজাইনের সামগ্রিক প্রভাব দেখার জন্য, আমরা পূর্বে উল্লিখিত সমস্ত সিস্টেমের জন্য প্রতি kWh-এ ফরমেট/ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদনের পরিমাণ সারণিবদ্ধ করেছি এবং চিত্র 1b-তে তা অঙ্কন করেছি। এখানে এটি স্পষ্ট যে, ক্যাথোলাইট বা ইন্টারলেয়ারযুক্ত যেকোনো সিস্টেম কম কারেন্ট ডেনসিটিতে তার কর্মক্ষমতা সর্বোচ্চ পর্যায়ে নিয়ে যাবে এবং উচ্চ কারেন্ট ডেনসিটিতে এর অবনতি ঘটবে, যেখানে ওহমিক সীমা সেল ভোল্টেজ নির্ধারণ করতে পারে। অধিকন্তু, যদিও শক্তি-সাশ্রয়ী CEM কনফিগারেশন প্রতি kWh-এ সর্বোচ্চ মোলার ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদন করে, উচ্চ কারেন্ট ডেনসিটিতে লবণ জমে যাওয়ার কারণে এর কর্মক্ষমতা দ্রুত হ্রাস পেতে পারে।
পূর্বে আলোচিত ব্যর্থতার ধরণগুলো প্রশমিত করার জন্য, আমরা একটি ছিদ্রযুক্ত ক্যাটায়ন বিনিময় ঝিল্লি (PCEM) সহ একটি যৌগিক ফরোয়ার্ড বায়াসড BPM সমন্বিত একটি ঝিল্লি ইলেকট্রোড অ্যাসেম্বলি (MEA) তৈরি করেছি। এর গঠনপ্রণালী চিত্র 1c-তে দেখানো হয়েছে। হাইড্রোজেন জারণ বিক্রিয়ার (HOR) মাধ্যমে প্রোটন তৈরি করার জন্য অ্যানোডে হাইড্রোজেন (H2) প্রবেশ করানো হয়। BPM সিস্টেমে একটি PCEM স্তর যুক্ত করা হয়, যা ক্যাথোডে উৎপন্ন ফরমেট আয়নগুলোকে AEM-এর মধ্য দিয়ে যেতে, BPM ইন্টারফেস এবং CEM-এর আন্তঃস্থায়ী ছিদ্রপথে প্রোটনের সাথে মিলিত হয়ে ফরমিক অ্যাসিড তৈরি করতে এবং তারপর GDE অ্যানোড ও প্রবাহ ক্ষেত্রের মধ্য দিয়ে বেরিয়ে যেতে সাহায্য করে। এই কনফিগারেশন ব্যবহার করে, আমরা 25 cm² সেল এলাকার জন্য <2 V এবং 300 mA/cm²-এ ফরমিক অ্যাসিডের >75% FE অর্জন করেছি। সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হলো, এই নকশাটি ফুয়েল সেল এবং ওয়াটার ইলেক্ট্রোলাইসিস প্ল্যান্টের জন্য বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ উপাদান এবং হার্ডওয়্যার আর্কিটেকচার ব্যবহার করে, যা দ্রুততর সময়ে এর পরিধি বাড়ানোর সুযোগ করে দেয়। ক্যাথোলাইট কনফিগারেশনগুলিতে ক্যাথোলাইট ফ্লো চেম্বার থাকে যা গ্যাস এবং তরল দশার মধ্যে চাপের ভারসাম্যহীনতা সৃষ্টি করতে পারে, বিশেষ করে বড় সেল কনফিগারেশনগুলিতে। তরল প্রবাহের ছিদ্রযুক্ত স্তরযুক্ত স্যান্ডউইচ কাঠামোর ক্ষেত্রে, মধ্যবর্তী স্তরের মধ্যে চাপের পতন এবং কার্বন ডাই অক্সাইড জমা হওয়া কমাতে ছিদ্রযুক্ত মধ্যবর্তী স্তরটিকে অপ্টিমাইজ করার জন্য উল্লেখযোগ্য প্রচেষ্টা প্রয়োজন। এই দুটিই সেলুলার যোগাযোগে বিঘ্ন ঘটাতে পারে। এছাড়াও, বৃহৎ পরিসরে স্ব-স্থিতিশীল পাতলা ছিদ্রযুক্ত স্তর উৎপাদন করা কঠিন। এর বিপরীতে, প্রস্তাবিত নতুন কনফিগারেশনটি একটি জিরো-গ্যাপ MEA কনফিগারেশন যাতে কোনো ফ্লো চেম্বার বা মধ্যবর্তী স্তর নেই। অন্যান্য বিদ্যমান ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সেলের তুলনায়, প্রস্তাবিত কনফিগারেশনটি অনন্য কারণ এটি একটি স্কেলেবল, শক্তি-সাশ্রয়ী, জিরো-গ্যাপ কনফিগারেশনে সরাসরি ফর্মিক অ্যাসিড সংশ্লেষণের সুযোগ দেয়।
হাইড্রোজেন নিঃসরণ দমন করার জন্য, বৃহৎ পরিসরে CO2 হ্রাস করার প্রচেষ্টায় ক্যাথোডে ক্ষারীয় অবস্থা তৈরি করতে উচ্চ মোলার ঘনত্বের ইলেক্ট্রোলাইটের (যেমন, 1-10 M KOH) সাথে MEA এবং AEM মেমব্রেন কনফিগারেশন ব্যবহার করা হয়েছে (যেমন চিত্র 2a-তে দেখানো হয়েছে)। এই কনফিগারেশনগুলিতে, ক্যাথোডে গঠিত ফরমেট আয়ন ঋণাত্মক চার্জযুক্ত প্রজাতি হিসাবে মেমব্রেনের মধ্য দিয়ে যায়, তারপর KCOOH গঠিত হয় এবং অ্যানোডিক KOH প্রবাহের মাধ্যমে সিস্টেম থেকে বেরিয়ে যায়। যদিও চিত্র 2b-তে দেখানো অনুযায়ী ফরমেট FE এবং সেল ভোল্টেজ প্রাথমিকভাবে অনুকূল ছিল, স্থিতিশীলতা পরীক্ষায় দেখা গেছে যে মাত্র 10 ঘন্টায় FE প্রায় 30% হ্রাস পেয়েছে (চিত্র S1a–c)। এটি উল্লেখ্য যে ক্ষারীয় অক্সিজেন ইভোলিউশন রিঅ্যাকশন (OER) সিস্টেমে অ্যানোডিক ওভারভোল্টেজ কমানো এবং ক্যাথোড ক্যাটালিস্ট বেডের মধ্যে আয়নের প্রবেশগম্যতা অর্জনের জন্য 1 M KOH অ্যানোলাইটের ব্যবহার অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। যখন অ্যানোলাইটের ঘনত্ব 0.1 M KOH-তে হ্রাস করা হয়, তখন সেল ভোল্টেজ এবং ফর্মিক অ্যাসিড জারণ (ফর্মিক অ্যাসিডের ক্ষয়) উভয়ই বৃদ্ধি পায় (চিত্র S1d), যা একটি শূন্য-সমষ্টির বিনিময়কে চিত্রিত করে। সামগ্রিক ভর ভারসাম্য ব্যবহার করে ফরমেট জারণের মাত্রা মূল্যায়ন করা হয়েছিল; আরও বিস্তারিত জানার জন্য, "পদ্ধতি" বিভাগটি দেখুন। MEA এবং একক CEM মেমব্রেন কনফিগারেশন ব্যবহার করে কর্মক্ষমতাও অধ্যয়ন করা হয়েছিল, এবং ফলাফলগুলি চিত্র S1f,g-তে দেখানো হয়েছে। পরীক্ষার শুরুতে 200 mA/cm2-তে ক্যাথোড থেকে সংগৃহীত FE ফরমেটের পরিমাণ ছিল >60%, কিন্তু পূর্বে আলোচিত ক্যাথোড লবণ জমার কারণে দুই ঘণ্টার মধ্যে এটি দ্রুত ক্ষয়প্রাপ্ত হয় (চিত্র S11)।
ক্যাথোডে CO2R, অ্যানোডে হাইড্রোজেন জারণ বিক্রিয়া (HOR) বা OER এবং মাঝখানে একটি AEM মেমব্রেন সহ একটি জিরো-গ্যাপ MEA-এর স্কিম্যাটিক চিত্র। খ) অ্যানোডে 1 M KOH এবং OER প্রবাহের সময় এই কনফিগারেশনের জন্য FE এবং সেল ভোল্টেজ। এরর বারগুলি তিনটি ভিন্ন পরিমাপের স্ট্যান্ডার্ড ডেভিয়েশন নির্দেশ করে। গ) অ্যানোডে H2 এবং HOR প্রবাহের সময় FE এবং সিস্টেম সেল ভোল্টেজ। ফরমেট এবং ফরমিক অ্যাসিড উৎপাদন আলাদা করার জন্য ভিন্ন ভিন্ন রঙ ব্যবহার করা হয়েছে। ঘ) মাঝখানে BPM সামনে সরানো একটি MEA-এর স্কিম্যাটিক ডায়াগ্রাম। এই কনফিগারেশন ব্যবহার করে 200 mA/cm2 প্রবাহ হারে সময়ের সাপেক্ষে FE এবং ব্যাটারি ভোল্টেজ। চ) একটি শর্ট টেস্টের পরে একটি ফরোয়ার্ড-বায়াসড BPM MEA-এর প্রস্থচ্ছেদ চিত্র।
ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদনের জন্য, অ্যানোডে অবস্থিত একটি Pt-on-carbon (Pt/C) অনুঘটকে হাইড্রোজেন সরবরাহ করা হয়। চিত্র 2d-তে যেমন দেখানো হয়েছে, ফর্মিক অ্যাসিড উৎপাদনের জন্য অ্যানোডে প্রোটন উৎপন্নকারী একটি ফরোয়ার্ড-বায়াসড BPM নিয়ে পূর্বে গবেষণা করা হয়েছে। 200 mA/cm² কারেন্টে 40 মিনিট চলার পর BPM টিউনিং ইউনিটটি বিকল হয়ে যায় এবং এর সাথে 5 V-এর বেশি ভোল্টেজ বৃদ্ধি ঘটে (চিত্র 2e)। পরীক্ষার পর, CEM/AEM সংযোগস্থলে সুস্পষ্ট স্তরবিচ্ছিন্নতা (delamination) পরিলক্ষিত হয়। ফরমেট ছাড়াও, কার্বনেট, বাইকার্বনেট এবং হাইড্রোক্সাইডের মতো অ্যানায়নগুলোও AEM মেমব্রেন ভেদ করে CEM/AEM সংযোগস্থলে প্রোটনের সাথে বিক্রিয়া করে CO₂ গ্যাস এবং তরল পানি উৎপন্ন করতে পারে, যা BPM-এর স্তরবিচ্ছিন্নতা ঘটায় (চিত্র 2f) এবং অবশেষে সেলটি বিকল হয়ে যায়।
উপরোক্ত কনফিগারেশনের কার্যকারিতা এবং ব্যর্থতার পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে, একটি নতুন MEA আর্কিটেকচার প্রস্তাব করা হয়েছে যা চিত্র 1c-তে দেখানো হয়েছে এবং চিত্র 3a38-এ বিস্তারিতভাবে বর্ণনা করা হয়েছে। এখানে, PCEM স্তরটি CEM/AEM ইন্টারফেস থেকে ফর্মিক অ্যাসিড এবং অ্যানায়নগুলির স্থানান্তরের জন্য একটি পথ তৈরি করে, যার ফলে পদার্থটির জমা হওয়া কমে যায়। একই সাথে, PCEM-এর মধ্যবর্তী পথটি ফর্মিক অ্যাসিডকে ডিফিউশন মাধ্যম এবং প্রবাহ ক্ষেত্রে পরিচালিত করে, যা ফর্মিক অ্যাসিডের জারণের সম্ভাবনা হ্রাস করে। ৮০, ৪০ এবং ২৫ মিমি পুরুত্বের AEM ব্যবহার করে পোলারাইজেশনের ফলাফল চিত্র 3b-তে দেখানো হয়েছে। প্রত্যাশিতভাবেই, যদিও AEM-এর পুরুত্ব বৃদ্ধির সাথে সাথে সামগ্রিক সেল ভোল্টেজ বৃদ্ধি পায়, একটি পুরু AEM ব্যবহার ফর্মিক অ্যাসিডের পশ্চাৎ ব্যাপন প্রতিরোধ করে, যার ফলে ক্যাথোডের pH বৃদ্ধি পায় এবং H2 উৎপাদন হ্রাস পায় (চিত্র 3c–e)।
ক) AEM এবং ছিদ্রযুক্ত CEM সহ MEA কাঠামোর চিত্র এবং বিভিন্ন ফর্মিক অ্যাসিড পরিবহন পথ। খ) বিভিন্ন কারেন্ট ডেনসিটি এবং বিভিন্ন AEM পুরুত্বে সেল ভোল্টেজ। গ) ৮০ μm (ঘ) ৪০ μm, ঘ) ২৫ μm পুরুত্বের AEM সহ বিভিন্ন কারেন্ট ডেনসিটিতে EE-তে। এরর বারগুলি তিনটি পৃথক নমুনা থেকে পরিমাপ করা স্ট্যান্ডার্ড ডেভিয়েশনকে প্রতিনিধিত্ব করে। ঘ) বিভিন্ন AEM পুরুত্বে CEM/AEM ইন্টারফেসে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব এবং pH মানের সিমুলেশন ফলাফল। ঙ) বিভিন্ন AEM ফিল্মের পুরুত্ব সহ অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরে PC এবং pH। চ) CEM/AEM ইন্টারফেস এবং ছিদ্র সহ ফর্মিক অ্যাসিড ঘনত্বের দ্বি-মাত্রিক বন্টন।
চিত্র S2-তে পয়সন-নার্নস্ট-প্ল্যাঙ্ক ফাইনাইট এলিমেন্ট মডেলিং ব্যবহার করে MEA-এর পুরুত্ব জুড়ে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব এবং pH-এর বন্টন দেখানো হয়েছে। এটা আশ্চর্যজনক নয় যে ফর্মিক অ্যাসিডের সর্বোচ্চ ঘনত্ব, ০.২৩ মোল/লিটার, CEM/AEM ইন্টারফেসে পরিলক্ষিত হয়, যেহেতু ফর্মিক অ্যাসিড এই ইন্টারফেসেই গঠিত হয়। AEM-এর পুরুত্ব বাড়ার সাথে সাথে এর মধ্য দিয়ে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব আরও দ্রুত হ্রাস পায়, যা ভর স্থানান্তরে অধিক প্রতিরোধ এবং পশ্চাৎ ব্যাপনের কারণে ফর্মিক অ্যাসিডের প্রবাহ কমে যাওয়াকে নির্দেশ করে। চিত্র 3 f এবং g-তে যথাক্রমে পশ্চাৎ ব্যাপনের কারণে ক্যাথোড অনুঘটক স্তরে pH এবং ফর্মিক অ্যাসিডের মান এবং ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্বের দ্বি-মাত্রিক বন্টন দেখানো হয়েছে। AEM মেমব্রেন যত পাতলা হয়, ক্যাথোডের কাছাকাছি ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব তত বেশি হয় এবং ক্যাথোডের pH অম্লীয় হয়ে ওঠে। অতএব, যদিও পুরুতর AEM মেমব্রেনের ফলে ওহমিক লস বেশি হয়, তবুও ক্যাথোডে ফর্মিক অ্যাসিডের পশ্চাৎ ব্যাপন রোধ করতে এবং FE ফর্মিক অ্যাসিড সিস্টেমের উচ্চ বিশুদ্ধতা সর্বাধিক করার জন্য এগুলি অপরিহার্য। পরিশেষে, AEM-এর পুরুত্ব ৮০ μm পর্যন্ত বৃদ্ধি করার ফলে ২৫ cm² সেল এরিয়ার জন্য <২ V এবং ৩০০ mA/cm²-এ ফর্মিক অ্যাসিডের ক্ষেত্রে FE >৭৫% পাওয়া গেছে।
এই PECM-ভিত্তিক কাঠামোর স্থিতিশীলতা পরীক্ষা করার জন্য, ব্যাটারির কারেন্ট ৫৫ ঘন্টা ধরে ২০০ mA/cm²-এ বজায় রাখা হয়েছিল। সামগ্রিক ফলাফল চিত্র ৪-এ দেখানো হয়েছে, এবং প্রথম ৩ ঘন্টার ফলাফল চিত্র S3-তে বিশেষভাবে তুলে ধরা হয়েছে। Pt/C অ্যানোডিক অনুঘটক ব্যবহার করার সময়, প্রথম ৩০ মিনিটের মধ্যেই সেল ভোল্টেজ দ্রুত বৃদ্ধি পেয়েছিল (চিত্র S3a)। দীর্ঘ সময় ধরে, সেল ভোল্টেজ প্রায় স্থির ছিল, যা ০.৬ mV/h অবক্ষয়ের হার নির্দেশ করে (চিত্র 4a)। পরীক্ষার শুরুতে, অ্যানোডে সংগৃহীত ফরমিক অ্যাসিডের PV ছিল ৭৬.৫% এবং ক্যাথোডে সংগৃহীত হাইড্রোজেনের PV ছিল ১৯.২%। পরীক্ষার প্রথম ঘন্টার পর, হাইড্রোজেনের FE কমে ১৩.৮%-এ নেমে আসে, যা উন্নত ফরমেট সিলেক্টিভিটি নির্দেশ করে। তবে, সিস্টেমে ফর্মিক অ্যাসিডের জারণ হার ১ ঘণ্টায় ৬২.৭%-এ নেমে আসে এবং অ্যানোডিক ফর্মিক অ্যাসিডের জারণ হার পরীক্ষার শুরুতে প্রায় শূন্য থেকে বেড়ে ১৭.০% হয়। পরবর্তীকালে, পরীক্ষা চলাকালীন H2, CO, ফর্মিক অ্যাসিডের FE এবং ফর্মিক অ্যাসিডের অ্যানোডিক জারণের হার স্থিতিশীল ছিল। প্রথম ঘণ্টায় ফর্মিক অ্যাসিড জারণের এই বৃদ্ধি PCEM/AEM ইন্টারফেসে ফর্মিক অ্যাসিড জমা হওয়ার কারণে হতে পারে। ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব বাড়ার সাথে সাথে, এটি কেবল মেমব্রেনের ছিদ্রপথ দিয়েই বের হয় না, বরং FEM-এর মধ্য দিয়েও ব্যাপিত হয়ে Pt/C অ্যানোড স্তরে প্রবেশ করে। যেহেতু ফর্মিক অ্যাসিড ৬০°C তাপমাত্রায় তরল, তাই এর জমা হওয়া ভর স্থানান্তরে সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে এবং হাইড্রোজেনের তুলনায় অগ্রাধিকারমূলক জারণ ঘটাতে পারে।
ক) সেল ভোল্টেজ বনাম সময় (২০০ mA/cm², ৬০ °C)। ইনসেটে একটি ছিদ্রযুক্ত EM সহ MEA-এর একটি প্রস্থচ্ছেদের অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপ চিত্র দেখানো হয়েছে। স্কেল বার: ৩০০ µm। খ) Pt/C অ্যানোড ব্যবহার করে ২০০ mA/cm² হারে সময়ের ফাংশন হিসাবে PE এবং ফরমিক অ্যাসিডের বিশুদ্ধতা।
পরীক্ষার শুরুতে (BOT) প্রস্তুতির সময় এবং পরীক্ষার শেষে (EOT) ৫৫ ঘণ্টা স্থিতিশীলতা পরীক্ষার পর নমুনাগুলির গঠন ন্যানো-এক্স-রে কম্পিউটেড টমোগ্রাফি (ন্যানো-সিটি) ব্যবহার করে চিহ্নিত করা হয়েছিল, যা চিত্র ৫ক-তে দেখানো হয়েছে। EOT নমুনার অনুঘটক কণার আকার বড়, যার ব্যাস ১২০৭ ন্যানোমিটার, যেখানে BOT-এর ক্ষেত্রে এটি ৯৩০ ন্যানোমিটার। হাই-অ্যাঙ্গেল অ্যানুলার ডার্ক-ফিল্ড স্ক্যানিং ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (HAADF-STEM) চিত্র এবং এনার্জি-ডিসপারসিভ এক্স-রে স্পেকট্রোস্কোপি (EDS)-এর ফলাফল চিত্র ৫খ-তে দেখানো হয়েছে। যেখানে BOT অনুঘটক স্তরে বেশিরভাগ ছোট অনুঘটক কণার পাশাপাশি কিছু বড় পুঞ্জীভূত কণা থাকে, সেখানে EOT পর্যায়ে অনুঘটক স্তরটিকে দুটি স্বতন্ত্র অঞ্চলে বিভক্ত করা যায়: একটিতে উল্লেখযোগ্যভাবে বড় কঠিন কণা এবং অন্যটিতে আরও ছিদ্রযুক্ত অঞ্চল রয়েছে। ছোট কণার সংখ্যা বেশি। EDS চিত্র থেকে দেখা যায় যে, বড় কঠিন কণাগুলিতে Bi, সম্ভবত ধাতব Bi, প্রচুর পরিমাণে রয়েছে এবং ছিদ্রযুক্ত অঞ্চলগুলিতে অক্সিজেন প্রচুর পরিমাণে রয়েছে। যখন সেলটি 200 mA/cm² এ চালিত হয়, তখন ক্যাথোডের ঋণাত্মক বিভব Bi₂O₃ এর বিজারণ ঘটাবে, যা নীচে আলোচিত ইন সিটু এক্স-রে শোষণ স্পেকট্রোস্কোপি ফলাফল দ্বারা প্রমাণিত। HAADF-STEM এবং EDS ম্যাপিং ফলাফল দেখায় যে Bi₂O₃ একটি বিজারণ প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায়, যার ফলে তারা অক্সিজেন হারায় এবং বড় ধাতব কণায় একত্রিত হয়। BOT এবং EOT ক্যাথোডের এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন EDS ​​ডেটার ব্যাখ্যাকে নিশ্চিত করে (চিত্র 5c): BOT ক্যাথোডে শুধুমাত্র স্ফটিকাকার Bi₂O₃ সনাক্ত করা হয়েছিল, এবং EOT ক্যাথোডে স্ফটিকাকার 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 পরিবর্তন করা হয়েছিল। দেখা যায় যে, RHE-এর সাপেক্ষে -0.85 V-এ Bi2O3 ফেজটি বিজারিত হতে শুরু করে, এবং স্পেকট্রামের প্রান্তীয় অঞ্চলে সাদা রেখার তীব্রতা হ্রাস পাওয়া থেকে বোঝা যায় যে, RHE-এর সাপেক্ষে -1.1 V-এ ধাতব Bi, RHE-এর ৯০%-এ বিজারিত হয় (চিত্র 5d)। কার্যপ্রণালী যাই হোক না কেন, ক্যাথোডের আকার, অনুঘটকের জারণ অবস্থা এবং মাইক্রোক্রিস্টালাইন গঠনে উল্লেখযোগ্য পরিবর্তন সত্ত্বেও, H2 ও CO FE এবং ফর্মিক অ্যাসিড গঠন থেকে যা অনুমেয়, ক্যাথোডে ফরমেটের সামগ্রিক সিলেক্টিভিটি মূলত অপরিবর্তিত থাকে।
ক) ন্যানো-এক্স-রে সিটি (nano-X-ray CT) ব্যবহার করে প্রাপ্ত অনুঘটক স্তরের ত্রিমাত্রিক কাঠামো এবং অনুঘটক কণার বিন্যাস। স্কেল বার: ১০ µm। খ) উপরের ২টি: বিওটি (BOT) এবং ইওটি (EOT) অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরের এইচএএডিএফ-এসটিইএম (HAADF-STEM) চিত্র। স্কেল বার: ১ µm। নিচের ২টি: ইওটি (EOT) অনুঘটকের ক্যাথোড স্তরের বিবর্ধিত এইচএডিএফ-এসটিইএম (HADF-STEM) এবং ইডিএক্স (EDX) চিত্র। স্কেল বার: ১০০ nm। গ) বিওটি (BOT) এবং ইওটি (EOT) ক্যাথোড নমুনার এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন। ঘ) বিভবের (RHE-এর সাপেক্ষে ০.৮ V থেকে -১.৫ V) ফাংশন হিসাবে ০.১ M KOH দ্রবণে Bi2O3 ইলেকট্রোডের ইন সিটু এক্স-রে শোষণ বর্ণালী।
ফর্মিক অ্যাসিড জারণকে বাধা দিয়ে শক্তি দক্ষতা উন্নত করার জন্য ঠিক কী কী সুযোগ রয়েছে তা নির্ধারণ করতে, ভোল্টেজ হ্রাসের অবদান শনাক্ত করার জন্য একটি H2 রেফারেন্স ইলেকট্রোড ব্যবহার করা হয়েছিল। 500 mA/cm2-এর কম কারেন্ট ডেনসিটিতে, ক্যাথোড পটেনশিয়াল -1.25 V-এর নিচে থাকে। অ্যানোডিক পটেনশিয়াল দুটি প্রধান অংশে বিভক্ত: এক্সচেঞ্জ কারেন্ট ডেনসিটি HOR এবং পূর্বে পরিমাপ করা বাটলার-ভলমার সমীকরণ দ্বারা পূর্বাভাসিত তাত্ত্বিক ওভারভোল্টেজ HOR, এবং অবশিষ্ট অংশটি ফর্মিক অ্যাসিড জারণের কারণে ঘটে। HOR-এর তুলনায় অনেক ধীর বিক্রিয়া গতিবিদ্যার কারণে, অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিড জারণ বিক্রিয়ার কম হার অ্যানোডিক পটেনশিয়ালে একটি উল্লেখযোগ্য বৃদ্ধি ঘটাতে পারে। ফলাফলগুলি দেখায় যে ফর্মিক অ্যাসিড অ্যানোডিক জারণের সম্পূর্ণ বাধা প্রায় 500 mV ওভারভোল্টেজ দূর করতে পারে।
এই অনুমানটি পরীক্ষা করার জন্য, নির্গত ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব কমাতে অ্যানোড ইনলেটে ডিআয়নাইজড ওয়াটারের (DI) প্রবাহ হার পরিবর্তন করা হয়েছিল। চিত্র 6b এবং c-তে 200 mA/cm2 প্রবাহ হারে অ্যানোডে DI ফ্লাক্সের ফাংশন হিসাবে FE, ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব এবং সেল ভোল্টেজ দেখানো হয়েছে। যখন ডিআয়নাইজড ওয়াটারের প্রবাহ হার 3.3 mL/min থেকে 25 mL/min পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়, তখন অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব 0.27 mol/L থেকে 0.08 mol/L পর্যন্ত হ্রাস পায়। তুলনামূলকভাবে, Xia et al. 30 দ্বারা প্রস্তাবিত স্যান্ডউইচ কাঠামো ব্যবহার করে 200 mA/cm2 প্রবাহ হারে 1.8 mol/L ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব পাওয়া গিয়েছিল। ঘনত্ব হ্রাস করলে ফর্মিক অ্যাসিডের সামগ্রিক FE উন্নত হয় এবং H2-এর FE হ্রাস পায়, কারণ ফর্মিক অ্যাসিডের ব্যাক ডিফিউশন কমে যাওয়ার ফলে ক্যাথোডের pH আরও ক্ষারীয় হয়ে ওঠে। সর্বোচ্চ DI প্রবাহে ফর্মিক অ্যাসিডের ঘনত্ব কমে যাওয়ায় ফর্মিক অ্যাসিডের জারণও কার্যত বন্ধ হয়ে যায়, যার ফলে 200 mA/cm2 প্রবাহে মোট সেল ভোল্টেজ 1.7 V-এর সামান্য নিচে দাঁড়ায়। ব্যাটারির তাপমাত্রাও সামগ্রিক কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে, এবং এর ফলাফল চিত্র S10-এ দেখানো হয়েছে। তবে, PCEM-ভিত্তিক আর্কিটেকচারগুলো ফর্মিক অ্যাসিডের প্রতি উন্নত হাইড্রোজেন সিলেক্টিভিটি সম্পন্ন অ্যানোডিক ক্যাটালিস্ট ব্যবহারের মাধ্যমে অথবা ডিভাইস পরিচালনার মাধ্যমে ফর্মিক অ্যাসিডের জারণ রোধ করে শক্তি দক্ষতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে।
ক) ৬০ °C তাপমাত্রায় পরিচালিত সেল রেফারেন্স H2 ইলেকট্রোড, Pt/C অ্যানোড এবং ৮০ µm AEM ব্যবহার করে সেল ভোল্টেজের বিভাজন। খ) অ্যানোডিক ডিআয়োনাইজড জলের বিভিন্ন প্রবাহ হার ব্যবহার করে ২০০ mA/cm² এ সংগৃহীত FE এবং ফরমিক অ্যাসিডের ঘনত্ব। গ) যখন অ্যানোড বিভিন্ন ঘনত্বের ফরমিক অ্যাসিড সংগ্রহ করে, তখন সেল ভোল্টেজ হয় ২০০ mA/cm²। এরর বারগুলো তিনটি ভিন্ন পরিমাপের স্ট্যান্ডার্ড ডেভিয়েশন নির্দেশ করে। ঘ) প্রতি kWh বিদ্যুতের জাতীয় শিল্প গড় মূল্য US$0.068 এবং প্রতি কেজি হাইড্রোজেনের জন্য US$4.5 ব্যবহার করে বিভিন্ন ডিআয়োনাইজড জলের প্রবাহ হারে কর্মক্ষমতা অনুসারে বিভাজিত সর্বনিম্ন বিক্রয় মূল্য। (*: অ্যানোডে ফরমিক অ্যাসিডের সর্বনিম্ন জারণ অবস্থা 10 M FA ধরা হয়েছে, জাতীয় গড় শিল্প বিদ্যুতের দাম $0.068/kWh এবং হাইড্রোজেনের দাম $4.5/kg। **: সর্বনিম্ন জারণ অবস্থা ফরমিক অ্যাসিড ধরা হয়েছে। অ্যানোডে FA-এর ঘনত্ব 1.3 M, প্রত্যাশিত ভবিষ্যৎ বিদ্যুতের দাম $0.03/kWh এবং ডটেড লাইনটি 85 wt% FA-এর বাজার মূল্য নির্দেশ করে।)
চিত্র 5d-তে দেখানো বিভিন্ন অপারেটিং অবস্থার অধীনে ফুয়েল অ্যাসেম্বলিগুলির সর্বনিম্ন বিক্রয় মূল্য পাওয়ার জন্য একটি প্রযুক্তিগত-অর্থনৈতিক বিশ্লেষণ (TEA) করা হয়েছিল। TEA-এর পদ্ধতি এবং পটভূমি সংক্রান্ত তথ্য SI-তে পাওয়া যাবে। যখন অ্যানোড নিষ্কাশনে LC-এর ঘনত্ব বেশি থাকে, তখন উচ্চতর সেল ভোল্টেজ থাকা সত্ত্বেও, পৃথকীকরণ খরচ কমে যাওয়ার কারণে ফুয়েল অ্যাসেম্বলির সামগ্রিক খরচ হ্রাস পায়। যদি অনুঘটক উন্নয়ন বা ইলেকট্রোড প্রযুক্তির মাধ্যমে ফর্মিক অ্যাসিডের অ্যানোডিক জারণ কমানো যায়, তবে নিম্ন সেল ভোল্টেজ (1.66 V) এবং নির্গত পদার্থে উচ্চ FA ঘনত্ব (10 M)-এর সমন্বয় ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল FA উৎপাদনের খরচ 0.74 মার্কিন ডলার/কেজি (বিদ্যুতের উপর ভিত্তি করে) কমিয়ে আনবে। মূল্য) $0.068/kWh এবং $4.5/কেজি হাইড্রোজেন42। অধিকন্তু, নবায়নযোগ্য বিদ্যুতের আনুমানিক ভবিষ্যৎ খরচ $0.03/kWh এবং হাইড্রোজেনের $2.3/kg-এর সাথে একত্রিত করলে, FA বর্জ্য জলের লক্ষ্যমাত্রা কমে 1.3 মিলিয়নে দাঁড়ায়, যার ফলে চূড়ান্ত আনুমানিক উৎপাদন খরচ হয় US$0.66/kg43। এটি বর্তমান বাজার মূল্যের সাথে তুলনীয়। সুতরাং, ইলেকট্রোড উপকরণ এবং কাঠামোর উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে ভবিষ্যতের প্রচেষ্টা অ্যানোডাইজেশনকে আরও কমাতে পারে এবং উচ্চতর LC ঘনত্ব উৎপাদনের জন্য কম সেল ভোল্টেজে পরিচালনার সুযোগ করে দিতে পারে।
সংক্ষেপে, আমরা CO2 বিজারণের মাধ্যমে ফরমিক অ্যাসিড তৈরির জন্য বেশ কয়েকটি জিরো-গ্যাপ MEA কাঠামো নিয়ে গবেষণা করেছি এবং একটি কম্পোজিট ফরোয়ার্ড-বায়াসড বাইপোলার মেমব্রেন সমন্বিত একটি কাঠামোর প্রস্তাব করেছি, যার মধ্যে একটি ছিদ্রযুক্ত ক্যাটায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (PECM) অন্তর্ভুক্ত রয়েছে, যা উৎপন্ন ফরমিক অ্যাসিডের জন্য মেমব্রেন ভর স্থানান্তর ইন্টারফেসকে সহজতর করে। এই কনফিগারেশনটি 0.25 M পর্যন্ত ঘনত্বের 96%-এর বেশি ফরমিক অ্যাসিড তৈরি করে (3.3 mL/min অ্যানোড DI প্রবাহ হারে)। উচ্চতর DI প্রবাহ হারে (25 mL/min), এই কনফিগারেশনটি 25 cm² সেল এলাকা ব্যবহার করে 1.7 V-এ 200 mA/cm² কারেন্ট ডেনসিটিতে 80%-এর বেশি FE প্রদান করে। মাঝারি অ্যানোডিক DI হারে (10 mL/min), PECM কনফিগারেশনটি 200 mA/cm² প্রবাহ হারে 55 ঘন্টা পরীক্ষার জন্য স্থিতিশীল ভোল্টেজ এবং উচ্চ ফরমিক অ্যাসিড FE স্তর বজায় রাখে। বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ অনুঘটক এবং পলিমারিক মেমব্রেন উপকরণ দ্বারা অর্জিত উচ্চ স্থিতিশীলতা এবং নির্বাচনশীলতাকে অপ্টিমাইজড ইলেকট্রোক্যাটালিস্টের সাথে একত্রিত করে আরও উন্নত করা যেতে পারে। পরবর্তী গবেষণায় অপারেটিং কন্ডিশন, অ্যানোড ক্যাটালিস্ট সিলেক্টিভিটি এবং এমইএ (MEA) কাঠামো সমন্বয় করার উপর মনোযোগ দেওয়া হবে, যার ফলে ফরমিক অ্যাসিড অক্সিডেশন হ্রাস পাবে এবং কম সেল ভোল্টেজে আরও ঘনীভূত এফ্লুয়েন্ট পাওয়া যাবে। এখানে উপস্থাপিত ফরমিক অ্যাসিডের জন্য কার্বন ডাই অক্সাইড ব্যবহারের সহজ পদ্ধতিটি অ্যানোলাইট ও ক্যাথোলাইট চেম্বার, স্যান্ডউইচ কম্পোনেন্ট এবং বিশেষ উপকরণের প্রয়োজনীয়তা দূর করে, যার ফলে সেলের শক্তি দক্ষতা বৃদ্ধি পায় এবং সিস্টেমের জটিলতা কমে, যা এর উৎপাদন বৃদ্ধিকে সহজতর করে। প্রস্তাবিত কনফিগারেশনটি ভবিষ্যতে প্রযুক্তিগতভাবে এবং অর্থনৈতিকভাবে লাভজনক CO2 রূপান্তর প্ল্যান্ট তৈরির জন্য একটি প্ল্যাটফর্ম প্রদান করে।
অন্যথায় উল্লেখ না থাকলে, সমস্ত রাসায়নিক গ্রেডের উপকরণ এবং দ্রাবক যেমন ছিল তেমনই ব্যবহার করা হয়েছে। বিসমাথ অক্সাইড অনুঘটক (Bi2O3, ৮০ nm) ইউএস রিসার্চ ন্যানোম্যাটেরিয়ালস, ইনকর্পোরেটেড থেকে কেনা হয়েছিল। পলিমার পাউডার (AP1-CNN8-00-X) আইওনোমার সরবরাহ করেছিল। অমনিসলভ® ব্র্যান্ডের এন-প্রোপানল (nPA) এবং অতিবিশুদ্ধ জল (১৮.২ Ω, মিলি-কিউ® অ্যাডভান্টেজ A10 জল পরিশোধন ব্যবস্থা) মিলিপোর সিগমা থেকে কেনা হয়েছিল। এসিএস প্রত্যয়িত মিথানল এবং অ্যাসিটোন যথাক্রমে ভিডব্লিউআর কেমিক্যালস বিডিএইচ® এবং ফিশার কেমিক্যাল থেকে কেনা হয়েছিল। পলিমার পাউডারটি অ্যাসিটোন এবং মিথানলের ১:১ ওজন অনুপাতে মিশ্রণের সাথে মিশিয়ে ৬.৫ wt.% ঘনত্বের একটি পলিমার ডিসপারশন তৈরি করা হয়েছিল। একটি ৩০ মিলি জারে ২০ গ্রাম Bi2O3, অতিবিশুদ্ধ জল, nPA এবং আয়োনোমার ডিসপারশন মিশিয়ে অনুঘটক কালি প্রস্তুত করুন। মিশ্রণটিতে ৩০ ওজন শতাংশ অনুঘটক, আয়নোমার ও অনুঘটকের ভরের অনুপাত ০.০২ এবং অ্যালকোহল ও জলের ভরের অনুপাত ২:৩ (৪০ ওজন শতাংশ এনপিএ) ছিল। মেশানোর আগে, মিশ্রণটিতে ৭০ গ্রাম গ্লেন মিলস ৫ মিমি জিরকোনিয়া গ্রাইন্ডিং উপাদান যোগ করা হয়েছিল। নমুনাগুলোকে একটি ফিশারব্র্যান্ড™ ডিজিটাল বোতল রোলারে ৮০ আরপিএম গতিতে ২৬ ঘণ্টার জন্য রাখা হয়েছিল। প্রয়োগ করার আগে কালিটিকে ২০ মিনিটের জন্য স্থির থাকতে দিন। ২২° সেলসিয়াস তাপমাত্রায় একটি ১/২″ x ১৬″ ল্যাবরেটরি ওয়্যারউইন্ড রিফিল (আরডি স্পেশালিটিজ – ৬০ মিল ব্যাস) ব্যবহার করে একটি কোয়ালটেক অটোমেটিক অ্যাপ্লিকেটরে (কিউপিআই-এএফএ৬৮০০) Bi2O3 কালি প্রয়োগ করা হয়েছিল। একটি ৭.৫ x ৮ ইঞ্চি সিগ্রাসেট ৩৯ বিবি কার্বন গ্যাস ডিফিউশন ক্যারিয়ারে (ফুয়েল সেল স্টোরেজ) ৫৫ মিমি/সেকেন্ডের একটি নির্দিষ্ট গড় গতিতে রড ডিপোজিশন পদ্ধতিতে ৫ মিলি অনুঘটকীয় কালি প্রয়োগ করা হয়েছিল। এই প্রলেপযুক্ত ইলেকট্রোডগুলিকে একটি ওভেনে স্থানান্তর করে ৮০ °C তাপমাত্রায় শুকানো হয়। রড প্রলেপ দেওয়ার প্রক্রিয়া এবং GDE প্রলেপের চিত্রগুলি চিত্র S4a এবং b-তে দেখানো হয়েছে। একটি এক্স-রে ফ্লুরোসেন্স (XRF) যন্ত্র (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) নিশ্চিত করেছে যে প্রলেপযুক্ত GDE-এর পরিমাণ ছিল ৩.০ মিলিগ্রাম Bi2O3/cm2।
অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (AEM) এবং ছিদ্রযুক্ত CEM সমন্বিত যৌগিক মেমব্রেন কনফিগারেশনের জন্য, CEM স্তর হিসেবে ১৫ µm নামমাত্র পুরুত্বের Nafion NC700 (Chemours, USA) ব্যবহার করা হয়েছিল। অ্যানোডিক অনুঘটকটি সরাসরি FEM-এর উপর ০.৮৩ আয়নোমার ও কার্বনের অনুপাতে এবং ২৫ cm² কভারেজ এলাকায় স্প্রে করা হয়েছিল। অ্যানোড অনুঘটক হিসেবে ০.২৫ mg Pt/cm² লোডিং সহ বৃহৎ পৃষ্ঠতল ক্ষেত্রফলযুক্ত সাপোর্টেড প্ল্যাটিনাম (৫০ wt.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA precious metal) ব্যবহার করা হয়েছিল। অনুঘটকের অ্যানোড স্তরের আয়নোমার হিসেবে Nafion D2020 (Ion Power, USA) ব্যবহার করা হয়েছিল। CEM ফিল্মের উপর ৩ মিমি ব্যবধানে সমান্তরাল রেখা কেটে CEM ছিদ্রকরণ করা হয়। ছিদ্রকরণ প্রক্রিয়ার বিস্তারিত বিবরণ চিত্র S12b এবং c-তে দেখানো হয়েছে। এক্স-রে কম্পিউটেড টমোগ্রাফি ব্যবহার করে নিশ্চিত করা হয়েছিল যে ছিদ্রের ব্যবধান ছিল ৩২.৬ μm, যা চিত্র S12d এবং e-তে দেখানো হয়েছে। সেল অ্যাসেম্বলির সময়, একটি অনুঘটক-প্রলিপ্ত ছিদ্রযুক্ত CEM মেমব্রেন একটি ২৫ cm² টোরে পেপারের (৫ wt% PTFE দ্বারা শোধিত, ফুয়েল সেল স্টোর, ইউএসএ) উপর স্থাপন করা হয়েছিল। ২৫, ৪০ বা ৮০ μm পুরুত্বের একটি AEM মেমব্রেন (পাইপারআয়ন, ভার্সোজেন, ইউএসএ) CEM-এর উপরে এবং তারপর GDE ক্যাথোডের উপর স্থাপন করা হয়েছিল। সম্পূর্ণ ফ্লো ফিল্ডটি আবৃত করার জন্য AEM মেমব্রেনটিকে ৭.৫ × ৭.৫ সেমি টুকরো করে কাটা হয়েছিল এবং অ্যাসেম্বলির আগে ১ M পটাশিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণে সারারাত ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল। অ্যানোড এবং ক্যাথোড উভয় ক্ষেত্রেই PTFE স্পেসার ব্যবহার করা হয় যা ১৮% এর সর্বোত্তম GDE কম্প্রেশন অর্জনের জন্য যথেষ্ট পুরু। ব্যাটারি অ্যাসেম্বলি প্রক্রিয়ার বিস্তারিত বিবরণ চিত্র S12a-তে দেখানো হয়েছে।
পরীক্ষার সময়, একত্রিত সেলটিকে ৬০ °C তাপমাত্রায় (তাপমাত্রার উপর নির্ভরশীলতা অধ্যয়নের জন্য ৩০, ৬০, এবং ৮০ °C) রাখা হয়েছিল, যেখানে অ্যানোডে প্রতি মিনিটে ০.৮ লিটার হাইড্রোজেন গ্যাস এবং ক্যাথোডে প্রতি মিনিটে ২ লিটার কার্বন ডাইঅক্সাইড সরবরাহ করা হয়েছিল। অ্যানোডিক এবং ক্যাথোডিক উভয় বায়ুপ্রবাহকে ১০০% আপেক্ষিক আর্দ্রতা এবং ২৫৯ kPa পরম ক্যাথোডিক চাপে আর্দ্র করা হয়েছিল। পরিচালনার সময়, ক্যাথোড অনুঘটক শয্যার ব্যবহার এবং আয়নিক পরিবাহিতা বাড়ানোর জন্য ক্যাথোড গ্যাস প্রবাহকে প্রতি মিনিটে ২ মিলিলিটার হারে ১ M KOH দ্রবণের সাথে মিশ্রিত করা হয়েছিল। অ্যানোড থেকে ফর্মিক অ্যাসিড অপসারণের জন্য অ্যানোড গ্যাস প্রবাহকে প্রতি মিনিটে ১০ মিলিলিটার হারে ডিআয়োনাইজড জলের সাথে মিশ্রিত করা হয়। ডিভাইসটির ইনপুট এবং আউটপুটের বিস্তারিত বিবরণ চিত্র S5-এ দেখানো হয়েছে। ক্যাথোডের নির্গত গ্যাসে CO2 থাকে এবং এটি CO ও H2 উৎপন্ন করে। জলীয় বাষ্প একটি কনডেন্সারের (২°C তাপমাত্রার নিম্ন-তাপমাত্রার হিট এক্সচেঞ্জার) মাধ্যমে অপসারণ করা হয়। অবশিষ্ট গ্যাস গ্যাস টাইমিং বিশ্লেষণের জন্য সংগ্রহ করা হবে। গ্যাস থেকে তরলকে আলাদা করার জন্য অ্যানোড প্রবাহ একটি কন্ডেন্সারের মধ্য দিয়েও যাবে। বর্জ্য জল পরিষ্কার শিশিতে সংগ্রহ করা হবে এবং উৎপাদিত ফর্মিক অ্যাসিডের পরিমাণ নির্ণয়ের জন্য লিকুইড ক্রোনোমেট্রি ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হবে। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পরীক্ষাগুলো একটি গ্যামরি পোটেনশিওস্ট্যাট (রেফারেন্স নম্বর 30K, গ্যামরি, ইউএসএ) ব্যবহার করে করা হয়েছিল। পোলারাইজেশন কার্ভ পরিমাপ করার আগে, সেলটিকে 2.5 mA/cm² স্ক্যান রেট সহ লিনিয়ার ভোল্টামেট্রি ব্যবহার করে 0 থেকে 250 mA/cm² রেঞ্জে 4 বার কন্ডিশন করা হয়েছিল। ক্যাথোড গ্যাস এবং অ্যানোলাইট তরলের নমুনা নেওয়ার আগে, সেলটিকে 4 মিনিটের জন্য একটি নির্দিষ্ট কারেন্ট ডেনসিটিতে রেখে গ্যালভানোস্ট্যাটিক মোডে পোলারাইজেশন কার্ভগুলো পাওয়া গিয়েছিল।
ক্যাথোড এবং অ্যানোডিক পটেনশিয়াল পৃথক করার জন্য আমরা MEA-তে একটি হাইড্রোজেন রেফারেন্স ইলেকট্রোড ব্যবহার করি। রেফারেন্স ইলেকট্রোডের গঠন চিত্র S6a-তে দেখানো হয়েছে। MEA মেমব্রেন এবং রেফারেন্স ইলেকট্রোডকে সংযুক্ত করার জন্য একটি আয়নিক সেতু হিসেবে একটি ন্যাফিয়ন মেমব্রেন (ন্যাফিয়ন ২১১, আয়নপাওয়ার, ইউএসএ) ব্যবহার করা হয়েছিল। ন্যাফিয়ন স্ট্রিপের এক প্রান্ত একটি ১ সেমি² গ্যাস ডিফিউশন ইলেকট্রোডের (GDE) সাথে সংযুক্ত ছিল, যেখানে ২৯বিসি কার্বন পেপারের (ফুয়েল সেল স্টোর, ইউএসএ) উপর ০.২৫ মিলিগ্রাম Pt/সেমি² (৫০ wt% Pt/C, TEC10E50E, তানাকা প্রেসিয়াস মেটালস) স্পাটার করে লোড করা হয়েছিল। GDE এবং ন্যাফিয়ন স্ট্রিপের মধ্যে গ্যাস সিল করতে ও ভালো সংযোগ নিশ্চিত করতে এবং রেফারেন্স ইলেকট্রোডকে ফুয়েল সেল হার্ডওয়্যারের সাথে সংযুক্ত করতে বিশেষ পলিইথারইথারকিটোন (PEEK) হার্ডওয়্যার ব্যবহার করা হয়। ন্যাফিয়ন স্ট্রিপের অন্য প্রান্তটি CEM ব্যাটারির প্রসারিত প্রান্তের সাথে সংযুক্ত থাকে। চিত্র S6b-তে MEA-এর সাথে সমন্বিত রেফারেন্স ইলেকট্রোডের প্রস্থচ্ছেদ দেখানো হয়েছে।
নিষ্কাশিত গ্যাস কন্ডেন্সার এবং গ্যাস-তরল বিভাজকের মধ্য দিয়ে যাওয়ার পর, ক্যাথোড থেকে গ্যাসের নমুনা নেওয়া হয়। সংগৃহীত গ্যাসটি একটি 4900 মাইক্রো জিসি (১০ মাইক্রোমিটার আণবিক চালনী, অ্যাজিলেন্ট) ব্যবহার করে কমপক্ষে তিনবার বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। নমুনাগুলি একটি নির্দিষ্ট সময়ের (৩০ সেকেন্ড) জন্য নিষ্ক্রিয় বহুস্তরীয় অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল গ্যাস নমুনা ব্যাগ সুপেল™ (সিগমা-অলড্রিচ)-এ সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং সংগ্রহের দুই ঘণ্টার মধ্যে হাতে করে মাইক্রোগ্যাস ক্রোমাটোগ্রাফে প্রবেশ করানো হয়েছিল। ইনজেকশন তাপমাত্রা ১১০° সেলসিয়াসে সেট করা হয়েছিল। কার্বন মনোক্সাইড (CO) এবং হাইড্রোজেন (H2) একটি উত্তপ্ত (১০৫ °C) চাপযুক্ত (২৮ পিএসআই) ১০ মিটার MS5A কলামে আর্গন (ম্যাথসন গ্যাস-ম্যাথসন পিউরিটি) বাহক গ্যাস হিসাবে ব্যবহার করে পৃথক করা হয়েছিল। এই সংযোগগুলি অন্তর্নির্মিত থার্মাল কন্ডাক্টিভিটি ডিটেক্টর (TCD) ব্যবহার করে শনাক্ত করা হয়। জিসি ক্রোমাটোগ্রাম এবং CO ও H2 ক্যালিব্রেশন কার্ভ চিত্র S7-এ দেখানো হয়েছে। অ্যানোড থেকে একটি নির্দিষ্ট সময়ের (১২০ সেকেন্ড) জন্য তরল ফরমিক অ্যাসিডের নমুনা সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং একটি ০.২২ মাইক্রোমিটার পিটিএফই সিরিঞ্জ ফিল্টার ব্যবহার করে ২ মিলি ভায়ালে ছেঁকে নেওয়া হয়েছিল। ভায়ালের তরল পদার্থগুলো একটি অ্যাজিলেন্ট ১২৬০ ইনফিনিটি II বায়োইনার্ট হাই-পারফরম্যান্স লিকুইড ক্রোমাটোগ্রাফি (এইচপিএলসি) সিস্টেম ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হয়েছিল, যেখানে একটি অটোস্যাম্পলার (G5668A) এর মাধ্যমে ২০ মাইক্রোলিটার নমুনা ইনজেক্ট করা হয়েছিল। এর মোবাইল ফেজ ছিল ৪ মিলিমিটার সালফিউরিক অ্যাসিড (H2SO4)। প্রবাহের হার ছিল ০.৬ মিলি/মিনিট (কোয়াটারনারি পাম্প G5654A)। পদার্থগুলোকে একটি মাইক্রো-গার্ড কেশন এইচ গার্ড কলামের পরে একটি উত্তপ্ত (৩৫° সেলসিয়াস, কলাম ওভেন G7116A) অ্যামিনেক্স এইচপিএক্স-৮৭এইচ ৩০০ × ৭.৮ মিমি (বায়ো-র‍্যাড) কলামে পৃথক করা হয়েছিল। একটি ডায়োড অ্যারে ডিটেক্টর (ডিএডি) ব্যবহার করে ফরমিক অ্যাসিড শনাক্ত করা হয়েছিল। ২১০ nm তরঙ্গদৈর্ঘ্য এবং ৪ nm ব্যান্ডউইথে। HPL ক্রোমাটোগ্রাম এবং ফরমিক অ্যাসিড স্ট্যান্ডার্ড ক্যালিব্রেশন কার্ভ চিত্র S7-এ দেখানো হয়েছে।
গ্যাসীয় উৎপাদ (CO এবং H2) এর FE নিম্নলিখিত সমীকরণ ব্যবহার করে গণনা করা হয়, এবং গ্যাসের মোট মোল সংখ্যা আদর্শ গ্যাস সমীকরণ ব্যবহার করে গণনা করা হয়:
এগুলোর মধ্যে: \({n}_{i}\): একটি তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়ায় ইলেকট্রনের সংখ্যা। \(F\): ফ্যারাডের ধ্রুবক। \({C}_{i}\): HPLC তরল উৎপাদের ঘনত্ব। \(V\): একটি নির্দিষ্ট সময় t-তে সংগৃহীত তরল নমুনার আয়তন। \(j\): তড়িৎ প্রবাহ ঘনত্ব। \(A\): ইলেকট্রোডের জ্যামিতিক ক্ষেত্রফল (২৫ সেমি²)। \(t\): নমুনা সংগ্রহের সময়কাল। \(P\): পরম চাপ। \({x}_{i}\): GC দ্বারা নির্ধারিত গ্যাসের মোল শতাংশ। \(R\): গ্যাস ধ্রুবক। \(T\): তাপমাত্রা।
ইন্ডাক্টিভলি কাপলড প্লাজমা অ্যাটমিক এমিশন স্পেকট্রোস্কোপি (ICP-OES) ব্যবহার করে অ্যানোডিক ক্যাটায়নগুলির ঘনত্ব পরিমাপ করা হয়েছিল। যে ক্যাটায়নগুলি অ্যানোডে চুইয়ে বা ব্যাপিত হতে পারে তাদের মধ্যে রয়েছে Ti, Pt, Bi এবং K। K ব্যতীত, অন্য সমস্ত ক্যাটায়ন শনাক্তকরণ সীমার নিচে ছিল। অ্যানোড থেকে বেরিয়ে আসা দ্রবণে আয়ন তৈরি হয় যা প্রোটন বা অন্যান্য ক্যাটায়নের সাথে জোড় বাঁধে। অতএব, ফরমিক অ্যাসিডের বিশুদ্ধতা গণনা করা যেতে পারে।
ফরমেট/এফএ উৎপাদন বলতে একটি নির্দিষ্ট এমইএ কনফিগারেশন ব্যবহার করে প্রতি কিলোওয়াট-ঘণ্টা (kWh) বিদ্যুৎ খরচে উৎপাদিত এফএ-এর পরিমাণকে বোঝায়, যা মোল/কিলোওয়াট-ঘণ্টা (mol/kWh) এককে প্রকাশ করা হয়। এটি নির্দিষ্ট অপারেটিং অবস্থার অধীনে কারেন্ট ডেনসিটি, সেল 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 উৎপাদন, CO2-কে CO-তে বিজারিত করা, এবং CO2-কে ফর্মিক অ্যাসিডে বিজারিত করা। যেহেতু অ্যানোডে ফর্মিক অ্যাসিড জারণ প্রক্রিয়া রয়েছে, তাই ফর্মিক অ্যাসিড জারণ প্রক্রিয়াকে দুটি ভাগে ভাগ করা যেতে পারে: ফর্মিক অ্যাসিড সংগ্রহ এবং ফর্মিক অ্যাসিড জারণ। সামগ্রিক ভর ভারসাম্যটি নিম্নরূপে লেখা যেতে পারে:
আমরা HPLC দ্বারা সংগৃহীত ফরমিক অ্যাসিড, হাইড্রোজেন এবং CO-এর পরিমাণ নির্ণয় করার জন্য GC ব্যবহার করেছি। উল্লেখ্য যে, পরিপূরক চিত্র S5-এ দেখানো সেটআপ ব্যবহার করে অ্যানোড থেকে বেশিরভাগ ফরমিক অ্যাসিড সংগ্রহ করা হয়েছিল। ক্যাথোড চেম্বার থেকে সংগৃহীত ফরমেটের পরিমাণ নগণ্য, যা প্রায় দুই মাত্রা কম এবং মোট SC-এর পরিমাণের ০.৫%-এরও কম।
এখানে ব্যবহৃত অবিচ্ছিন্ন পরিবহন মডেলটি একই ধরনের সিস্টেমের উপর পূর্ববর্তী কাজের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়েছে। ইলেকট্রনীয় এবং আয়নীয় পরিবাহী দশায় জলের ঘনত্ব এবং স্থিরবৈদ্যুতিক বিভব নির্ধারণের জন্য পয়সন-নার্স্ট-প্ল্যাঙ্ক (PNP) সমীকরণের একটি যুগলবদ্ধ সিস্টেম ব্যবহার করা হয়। অন্তর্নিহিত সমীকরণ এবং মডেল জ্যামিতির একটি বিশদ বিবরণ সাপ্লিমেন্টারি ইনফরমেশনে (SI) দেওয়া হয়েছে।
এই সিস্টেমটি আটটি জলীয় পদার্থের (\({{{{{{\rm{C}}}}}}}{{{{{{\rm{O}}}}}}}}_{2 \left ({{{{{{\rm{aq}}}}}}\right)}\), \({{{{{{\rm{H}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{{\rm{O}}}}}}{{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{{\rm{HCOOH}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}^{- }\) এবং \({{{ {{{\rm{K}}}}}}^{+}\)) ঘনত্ব, আয়নীয় পরিবাহী দশায় স্থিরবৈদ্যুতিক বিভব (\({\phi }_{I}\ )) এবং অ্যানোডিক ও ক্যাথোডিক ইলেকট্রন পরিবাহিতা নির্ণয় করে। দশাগুলিতে (যথাক্রমে \({\phi }_{A}\) এবং \({\phi }_{C}\)) স্থিরবৈদ্যুতিক বিভব। এর পরিবর্তে, স্থানীয় বৈদ্যুতিক নিরপেক্ষতা বা চার্জ বন্টন ফাংশন কোনটিই বাস্তবায়িত হয় না, বরং পয়সনের সমীকরণ ব্যবহার করে সরাসরি স্পেস চার্জ অঞ্চলের সমাধান করা হয়; এই পদ্ধতিটি আমাদেরকে CEM|AEM, CEM|Pore, এবং AEM|Pore ইন্টারফেসগুলিতে ডোনান বিকর্ষণ প্রভাব সরাসরি মডেল করতে সাহায্য করে। এছাড়াও, অনুঘটকের অ্যানোডিক এবং ক্যাথোডিক স্তরে চার্জ পরিবহন বর্ণনা করার জন্য পোরোসিটি ইলেকট্রোড তত্ত্ব (PET) ব্যবহার করা হয়। লেখকদের জ্ঞানানুসারে, একাধিক স্পেস চার্জ অঞ্চলযুক্ত সিস্টেমে PET-এর এটিই প্রথম প্রয়োগ।
৮.০ keV এক্স-রে উৎস, অ্যাবজর্পশন ও ওয়াইড ফিল্ড মোড এবং ইমেজ ফিউশন১ সহ একটি Zeiss Xradia 800 Ultra ব্যবহার করে GDE BOT এবং EOT ক্যাথোড নমুনাগুলো পরীক্ষা করা হয়েছিল। -৯০° থেকে ৯০° পর্যন্ত ৫০ সেকেন্ডের এক্সপোজার সময়ে ৯০১টি ছবি সংগ্রহ করা হয়েছিল। ৬৪ nm ভক্সেল আকারের একটি ব্যাক প্রজেকশন ফিল্টার ব্যবহার করে পুনর্গঠন করা হয়েছিল। বিশেষভাবে লিখিত কোড ব্যবহার করে সেগমেন্টেশন এবং কণার আকার বন্টনের বিশ্লেষণ সম্পন্ন করা হয়েছিল।
ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপিক বৈশিষ্ট্য নিরূপণের জন্য, ডায়মন্ড নাইফ দিয়ে অতি-পাতলা সেকশন কাটার প্রস্তুতি হিসেবে পরীক্ষাধীন MEA-গুলোকে ইপোক্সি রেজিনে এমবেড করা হয়। প্রতিটি MEA-এর প্রস্থচ্ছেদ ৫০ থেকে ৭৫ ন্যানোমিটার পুরুত্বে কাটা হয়েছিল। স্ক্যানিং ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (STEM) এবং এনার্জি-ডিসপারসিভ এক্স-রে স্পেকট্রোস্কোপি (EDS) পরিমাপের জন্য একটি ট্যালোস F200X ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ (থার্মো ফিশার সায়েন্টিফিক) ব্যবহার করা হয়েছিল। মাইক্রোস্কোপটি ৪টি উইন্ডোহীন SDD ডিটেক্টরসহ একটি EDS সুপার-এক্স সিস্টেম দ্বারা সজ্জিত এবং এটি ২০০ kV-তে পরিচালিত হয়।
৪০ kV এবং ৪০ mA-তে পরিচালিত একটি ব্রুকার অ্যাডভান্স D8 পাউডার এক্স-রে ডিফ্র্যাক্টোমিটার ব্যবহার করে Ni-ফিল্টারযুক্ত Cu Kα বিকিরণের সাহায্যে পাউডার এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন (PXRD) সংগ্রহ করা হয়েছিল। স্ক্যানিং পরিসীমা হলো ১০° থেকে ৬০°, ধাপের আকার ০.০০৫° এবং প্রতি ধাপে ডেটা সংগ্রহের গতি ১ সেকেন্ড।
একটি ঘরে তৈরি সেল ব্যবহার করে বিভবের ফাংশন হিসেবে Bi2O3 Bi L3 অনুঘটকের প্রান্তে RAS স্পেকট্রাম পরিমাপ করা হয়েছিল। Bi2O3 অনুঘটকীয় আয়নোমার কালি প্রস্তুত করার জন্য ২৬.১ মিলিগ্রাম Bi2O3-এর সাথে ১৫৬.৩ মাইক্রোলিটার আয়নোমার দ্রবণ (৬.৬৮%) মেশানো হয়েছিল এবং আয়নোমার কালি পাওয়ার জন্য এটিকে ১ মোলার KOH, জল (১৫৭ মাইক্রোলিটার) এবং আইসোপ্রোপাইল অ্যালকোহল (১০৪ মাইক্রোলিটার) দিয়ে প্রশমিত করা হয়েছিল। অনুঘটক সহগ হলো ০.৪। কালিটি গ্রাফিন শিটের উপর আয়তক্ষেত্রাকার স্থানে (১০×৪ মিমি) প্রয়োগ করা হয়েছিল যতক্ষণ না Bi2O3 অনুঘটকের পরিমাণ ০.৫ মিলিগ্রাম/বর্গসেমি-তে পৌঁছায়। গ্রাফিন শিটের বাকি অংশ ক্যাপটন দিয়ে প্রলেপ দেওয়া হয় যাতে এই অঞ্চলগুলি তড়িৎবিশ্লেষ্য থেকে বিচ্ছিন্ন থাকে। অনুঘটক-প্রলিপ্ত গ্রাফিন শিটটি দুটি PTFE-এর মধ্যে স্থাপন করা হয়েছিল এবং স্ক্রু দিয়ে সেল বডির (PEEK) সাথে সুরক্ষিত করা হয়েছিল, চিত্র S8। Hg/HgO (১ মোলার NaOH) রেফারেন্স ইলেকট্রোড হিসেবে এবং কার্বন পেপার কাউন্টার ইলেকট্রোড হিসেবে কাজ করে। সমস্ত পরিমাপকৃত বিভবকে একটি রিভার্সিবল হাইড্রোজেন ইলেকট্রোড (RHE) স্কেলে রূপান্তর করার জন্য, হাইড্রোজেন-সম্পৃক্ত ০.১ M KOH-এ নিমজ্জিত একটি প্ল্যাটিনাম তার ব্যবহার করে Hg/HgO রেফারেন্স ইলেকট্রোডটি ক্যালিব্রেট করা হয়েছিল। ৩০ °C তাপমাত্রায় উত্তপ্ত ০.১ M KOH-এ নিমজ্জিত একটি Bi2O3/গ্রাফিন শিট ওয়ার্কিং ইলেকট্রোডের বিভব পর্যবেক্ষণ করে XRD স্পেকট্রা সংগ্রহ করা হয়েছিল। ব্যাটারির মধ্যে ইলেকট্রোলাইট সঞ্চালিত হয়, যেখানে কোষের নীচে ইলেকট্রোলাইটের প্রবেশপথ এবং উপরে নির্গমনপথ থাকে, যাতে বুদবুদ তৈরি হওয়ার সময় ইলেকট্রোলাইটটি অনুঘটক স্তরের সংস্পর্শে আসে। ওয়ার্কিং ইলেকট্রোডের বিভব নিয়ন্ত্রণ করার জন্য একটি CH Instruments 760e পোটেনশিওস্ট্যাট ব্যবহার করা হয়েছিল। RHE-এর উপর নির্ভর করে বিভবের ক্রমটি ছিল একটি ওপেন সার্কিট বিভব: -১০০, -২০০, -৩০০, -৪০০, -৫০০, -৮০০, -৮৫০, -৯০০, -১০০০, -১১০০, -১৫০০ এবং +৭০০ mV। সমস্ত iR বিভব সামঞ্জস্য করা হয়েছে।
আর্গন ন্যাশনাল ফ্লুরোসেন্স ল্যাবরেটরির অ্যাডভান্সড ফোটন সোর্স (APS) এর 10-ID চ্যানেলে Bi L3 এজ (~Bi ধাতুর জন্য 13424 eV) এক্স-রে অ্যাবজর্পশন ফাইন স্ট্রাকচার (XAFS) স্পেকট্রোস্কোপি করা হয়েছিল। এক্স-রে শক্তি টিউন করার জন্য তরল নাইট্রোজেন দ্বারা শীতল করা একটি দুই-ক্রিস্টাল Si(111) মনোক্রোমেটর এবং হারমোনিক কন্টেন্ট হ্রাস করার জন্য একটি রোডিয়াম-কোটেড মিরর ব্যবহার করা হয়েছিল। স্ক্যান শক্তি 13200 থেকে 14400 eV পর্যন্ত পরিবর্তন করা হয়েছিল এবং ফিল্টার বা সোলার স্লিট ছাড়াই একটি 5 × 5 সিলিকন PIN ডায়োড অ্যারে ব্যবহার করে ফ্লুরোসেন্স পরিমাপ করা হয়েছিল। দ্বিতীয় ডেরিভেটিভের জিরো ক্রসিং শক্তি Pt ফয়েলের L2 এজের মাধ্যমে 13271.90 eV তে ক্যালিব্রেট করা হয়েছে। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সেলের পুরুত্বের কারণে, রেফারেন্স স্ট্যান্ডার্ডের স্পেকট্রাম একই সাথে পরিমাপ করা সম্ভব হয়নি। সুতরাং, পরীক্ষা জুড়ে বারবার পরিমাপের উপর ভিত্তি করে, আপতিত এক্স-রে শক্তির গণনাকৃত স্ক্যান-টু-স্ক্যান পরিবর্তন হলো ±০.০১৫ eV। Bi2O3 স্তরের পুরুত্ব ফ্লুরোসেন্সের একটি নির্দিষ্ট মাত্রার স্ব-শোষণ ঘটায়; ইলেকট্রোডগুলো আপতিত রশ্মি এবং ডিটেক্টরের সাপেক্ষে একটি স্থির অভিমুখ বজায় রাখে, যা সমস্ত স্ক্যানকে কার্যত অভিন্ন করে তোলে। Athena সফটওয়্যারের (সংস্করণ ০.৯.২৬) IFEFFIT 44 কোডের লিনিয়ার কম্বিনেশন ফিটিং অ্যালগরিদম ব্যবহার করে Bi এবং Bi2O3 স্ট্যান্ডার্ডের XANES অঞ্চলের সাথে তুলনা করে বিসমাথের জারণ অবস্থা এবং রাসায়নিক রূপ নির্ধারণ করতে নিয়ার-ফিল্ড XAFS স্পেকট্রাম ব্যবহার করা হয়েছিল।
এই প্রবন্ধে উল্লিখিত চিত্রসমূহ এবং এই গবেষণার অন্যান্য সিদ্ধান্তসমূহের সহায়ক উপাত্ত যুক্তিসঙ্গত অনুরোধের ভিত্তিতে সংশ্লিষ্ট লেখকের কাছ থেকে পাওয়া যাবে।
ক্র্যান্ডাল বিএস, ব্রিক্স টি., ওয়েবার আরএস এবং জিয়াও এফ.। সবুজ মিডিয়া সরবরাহ শৃঙ্খলের প্রযুক্তিগত-অর্থনৈতিক মূল্যায়ন এইচ২। এনার্জি ফুয়েলস ৩৭, ১৪৪১–১৪৫০ (২০২৩)।
ইউনুস এম, রেজাকাজেমি এম, আরবাব এমএস, শাহ জে এবং রেহমান ভি। সবুজ হাইড্রোজেন সঞ্চয় ও সরবরাহ: উচ্চ সক্রিয় সমসত্ত্ব ও অসমসত্ত্ব অনুঘটক ব্যবহার করে ফরমিক অ্যাসিডের ডিহাইড্রোজেনেশন। আন্তর্জাতিকতা। জে. হাইড্রোগ. এনার্জি ৪৭, ১১৬৯৪–১১৭২৪ (২০২২)।
নি, আর. প্রমুখ। হেটেরোজেনাস ট্রানজিশন মেটাল অনুঘটকের উপর ফর্মিক অ্যাসিডের অনুঘটকীয় স্থানান্তর হাইড্রোজেনেশনে সাম্প্রতিক অগ্রগতি। একেএস ক্যাটালগ। ১১, ১০৭১–১০৯৫ (২০২১)।
রাহিমি, এ., উলব্রিচ, এ., কুন, জেজে, এবং স্টাল, এসএস ফর্মিক অ্যাসিড দ্বারা জারিত লিগনিনের বিপলিমারাইজেশনের মাধ্যমে অ্যারোমেটিক যৌগ গঠন। নেচার ৫১৫, ২৪৯–২৫২ (২০১৪)।
Schuler E. et al. ফর্মিক অ্যাসিড CO2 ব্যবহারের জন্য একটি মূল মধ্যবর্তী পদার্থ হিসেবে কাজ করে। green. Chemical. 24, 8227–8258 (2022).
ঝু, এইচ. প্রমুখ। কার্বোহাইড্রেট এবং লিগনিনের সামগ্রিক পরিমাণ বৃদ্ধির জন্য প্রবাহমান ফর্মিক অ্যাসিড ব্যবহার করে বায়োমাসের দ্রুত ও অ-ধ্বংসাত্মক বিভাজন (≤১৫ মিনিট)। কেমিস্ট্রি অ্যান্ড কেমিস্ট্রি ১২, ১২১৩–১২২১ (২০১৯)।
ক্যালভি, সিএইচ প্রমুখ। অভিযোজিত পরীক্ষাগার বিবর্তনীয় তথ্য প্রকৌশল ব্যবহার করে ফরমেটের উপর কাপ্রিঅ্যাভিডাস নেকেটর এইচ১৬-এর উন্নত বৃদ্ধি। মেটাবোলাইটস ইঞ্জিনিয়ার। ৭৫, ৭৮–৯০ (২০২৩)।
ইশাই, ও. এবং লিন্ডনার, এসএন গঞ্জালেজ দে লা ক্রুজ, জে., টেনেনবোইম, এইচ. এবং বার-ইভেন, এ.। ফরমেটের জৈব-অর্থনীতি। কারেন্ট ওপিনিয়ন কেমিক্যাল বায়োলজি। ৩৫, ১–৯ (২০১৬)।