Energy Technology

Thẩm thấu metanol thấp là một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với màng trao đổi proton được sử dụng trong pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFCs). Ở đây, chuỗi polymer sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) được hoà tan vào các mạng lưới polymer bán xuyên thấu (semi‐IPNs) được xây dựng qua phản ứng alkyl hóa giữa các nhóm bromobenzyl của poly(phenylene oxide) bromomethylated và các nhóm amine của chất nối chéo 2,2'‐(ethylenedioxy)bis(ethylamine). Các ảnh hưởng của thành phần mạng lưới nối chéo lên các thuộc tính chính của màng SPEEK được khảo sát một cách hệ thống. Sự ổn định kích thước và khả năng kháng thẩm thấu methanol được nâng cao khi tăng lượng thành phần mạng lưới nối chéo. Tỷ lệ chọn lọc tương đối được cải thiện đáng kể do khả năng thẩm thấu metanol bị giảm mạnh. Pin DMFC lắp ráp với màng có 20 wt.% mạng lưới nối chéo cho ra công suất cao gấp bốn lần so với pin DMFC Nafion 117 trong dung dịch methanol 5 M.

Các tiến bộ gần đây trong việc phát triển pin nhiên liệu màng trao đổi proton dựa trên hydrocarbon đã tập trung vào việc tối ưu hóa vật liệu. Khôi phục điện áp (VR) đã cho thấy những cải thiện đáng kể đối với pin nhiên liệu dựa trên axit perfluorosulfonic. Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trình bày một giao thức VR được thiết kế đặc biệt cho pin nhiên liệu dựa trên hydrocarbon. Giao thức đề xuất bao gồm 100 bước điện áp ở mức 0.08 và 0.12 V, kéo dài 20 giây mỗi bước, ở 80 °C, dưới áp suất ngược và điều kiện quá bão hòa. Hiệu quả của giao thức được so sánh với các giao thức khác, bao gồm một giao thức được đề xuất bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và một giao thức VR khác trong tài liệu. Giao thức VR cho thấy sự tăng cường 100% về hoạt tính khối lượng của các pin nhiên liệu hoàn toàn dựa trên hydrocarbon chỉ sau 1 giờ, trong khi giao thức DOE không dẫn đến cải thiện nào, và một giao thức đã được thiết lập khác cần 3 giờ để cho thấy sự tăng trưởng 70%. Giao thức đề xuất cũng hiệu quả cho các lớp xúc tác Nafion. Hiệu suất H₂/không khí ở 0.7 V của các pin nhiên liệu hoàn toàn dựa trên hydrocarbon tăng 21%, dẫn đến mật độ dòng điện là 0.9 A cm⁻², tương tự như tham chiếu Nafion. Điều này gợi ý rằng giao thức đề xuất rất hiệu quả và đáng kể giảm thời gian điều kiện, điều này có thể là một yếu tố chi phí quan trọng.

Việc triển khai các công nghệ đa dạng gần đây đã tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả về chi phí và có hiệu suất cao. Các tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao với tổ hợp III‐V trong tế bào silicon tinh thể tách rời đã đạt được hiệu suất quang điện trên 39%. Việc khắc các tấm silicon đóng vai trò quan trọng trong việc lắng đọng các lớp tinh thể, trung hòa các liên kết lơ lửng và thụ động bề mặt cho các tế bào năng lượng mặt trời tandem. Các tấm được đánh bóng bằng dung dịch HF–HNO₃–CH₃COOH (HNA) và 20% KOH để làm mịn bề mặt tấm. Khi khắc ướt HNA được thực hiện trong 3,5 phút và khắc 20% KOH kéo dài 6 phút, độ nhám vi mô của tấm là 1,9 nm với diện tích đo là 10 × 10 μm² và 0,816 nm trong một diện tích là 1 × 1 μm². So với tấm silicon sau khi cắt, độ phản xạ tăng từ 31,7% lên 34,7%, và thời gian sống hiệu quả của các hạt thiểu số, với sự thụ động Al₂O₃ 30 nm sau khi kích hoạt 450 °C, tăng từ 1,4 lên 1,8 ms tại mật độ carrier 1.0 × 10¹⁵ cm⁻³.

Một điện phân polymer rắn mới được chế tạo từ ma trận polyimide, một chất phụ gia lỏng ion (1‐butyl‐3‐methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, [Bmim][TFSI]), và một muối lithium (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, LiTFSI) thông qua kỹ thuật đổ dung dịch. Các màng điện phân polymer tự đứng dựa trên polyimide (PI‐100 %BmimTFSI‐60 %LiTFSI) thu được cho thấy tính linh hoạt cao, trong suốt và khả năng thấm hút tốt. Do tính ổn định nhiệt cao của ma trận polyimide, nhiệt độ phân hủy nhiệt của điện phân rất cao (420 °C). Độ dẫn ion có thể đạt tới 1.73×10⁻⁵ S cm⁻¹ ở nhiệt độ phòng và đạt 1.26×10⁻³ S cm⁻¹ ở 80 °C. Ngoài ra, các điện phân PI‐100 %BmimTFSI‐60 %LiTFSI có khoảng ổn định điện hóa rộng 4.8 V, số lượng chuyển giao ion lithium chung là 0.12, và tính ổn định cũng như khả năng tương thích bề mặt tốt. Đặc biệt, các tế bào bán phần LiFePO₄/Li được lắp ráp từ điện phân dựa trên polyimide này có thể thắp sáng một bóng đèn diode phát sáng ở nhiệt độ phòng.

Mặc dù quá trình phân hủy nhiệt đa giai đoạn (chiết xuất) sinh khối kết hợp với nâng cấp xúc tác là một chiến lược triển vọng để đạt được sản xuất nhiên liệu bền vững, số lượng các giai đoạn phân hủy nhiệt, điều kiện của chúng và hóa học nâng cấp xúc tác tối ưu hiện vẫn chưa được biết rõ. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng mô hình quy trình khái niệm để đề xuất một lộ trình tổng quát cho việc thiết kế một nhà máy sinh học bằng cách áp dụng những công nghệ này. Quy trình tổng thể được xem xét bao gồm một hệ thống tiền xử lý sinh khối, một hệ thống phân hủy nhiệt (đa giai đoạn) trong đó sinh khối được phân hủy thành nhiều phần khác nhau, một hệ thống nâng cấp phần, và một hệ thống đốt. Chúng tôi tập trung chủ yếu vào thiết kế của hệ thống phân hủy nhiệt và hệ thống nâng cấp phần. Mục tiêu của chúng tôi là thể hiện những đánh đổi chính giữa các tùy chọn quy trình khác nhau và xác định những lĩnh vực quan trọng cần cải thiện. Nói chung, việc tăng độ phức tạp của các hệ thống nâng cấp phần làm tăng năng suất cuối cùng của các sản phẩm C₆₊, mặc dù có sự giảm lợi tức về gia tăng năng suất sản phẩm so với độ phức tạp của các chuỗi nâng cấp xúc tác. Lựa chọn về số lượng các giai đoạn phân hủy nhiệt không hề đơn giản và đòi hỏi phải xem xét cẩn thận hóa học có sẵn để nâng cấp các thành phần khác nhau cũng như độ dồi dào tương đối của các thành phần khác nhau này. Do đó, thiết kế tối ưu cho các hệ thống phân hủy nhiệt và nâng cấp phần không thể thực hiện một cách độc lập.

Các hiệu suất nhiệt điện thường được cải thiện bằng cách giảm thiểu độ dẫn nhiệt của vật liệu, có thể bằng cách giới thiệu cấu trúc siêu mạng hoặc hình thái nano. Ở đây, một phương pháp mới để cải thiện hiệu suất, dựa trên việc cải thiện hệ số Seebeck, được trình bày cho các phim mỏng Ge₂Sb₂Te₅. Nhiệt độ electron được kiểm soát bằng cách sử dụng nguồn plasma dòng điện một chiều (DC) xung, và sự rối loạn cấu trúc của pha tinh thể lập phương đã cải thiện các hệ số Seebeck, như được hỗ trợ bởi các tính toán orbital phân tử. Kết quả của chúng tôi chứng minh hệ số Seebeck ở nhiệt độ phòng là 190,8 μV K⁻¹ cho các phim dày 200 nm được lắng đọng trên kính.

Công nghệ sử dụng các chất hấp phụ dựa trên oxit canxi (CaO) để thu giữ CO₂ đã được xác định là ứng cử viên tối ưu cho việc thu giữ CO₂ ở nhiệt độ cao. Các khí thực tế luôn chứa hơi nước và nhiều thành phần khác, và đã có thông báo rằng các điều kiện ẩm ướt này có ảnh hưởng không thể bỏ qua đến hiệu suất của chất hấp phụ. Bài tổng quan này phác thảo vai trò của H₂O trong quá trình thu giữ CO₂ bằng các chất hấp phụ dựa trên CaO. Vai trò của hơi nước/H₂O trong việc tái hoạt hóa chất hấp phụ, tác động của hơi nước đến quá trình cacbon hóa và vôi hóa, và ảnh hưởng của hơi nước khi đồng thời có mặt trong cả hai giai đoạn cacbon hóa và vôi hóa được thảo luận. Đề xuất rằng việc tiêm hơi nước vào cả bể cacbon hóa và bể vôi hóa là một chiến lược tốt để đạt được tính phản ứng tốt hơn của chất hấp phụ dựa trên CaO cho việc thu giữ CO₂. Các cơ chế ảnh hưởng của hơi nước trong bể cacbon hóa và bể vôi hóa đến việc thu giữ CO₂ cũng được thảo luận. Bài tổng quan kết luận với các hướng nghiên cứu tương lai.

Quá trình pyrolyse nhanh xúc tác tại chỗ có thể được sử dụng để sản xuất dầu sinh học được nâng cấp một phần. Tuy nhiên, quá trình này gặp phải vấn đề với việc xúc tác bị mất hoạt tính nhanh chóng do sự hình thành cốc, điều này cần thiết phải sử dụng quá trình gia hồi xúc tác liên tục. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng một lò phản ứng bed lưu chất tuần hoàn. Trong loại lò phản ứng này, một biến số hoạt động quan trọng là tỷ lệ xúc tác/biomass (C/B), ảnh hưởng đến mức độ các phản ứng xúc tác diễn ra. Trong nghiên cứu này, nguyên liệu sinh khối dạng gỗ được pyrolyse trong một hệ thống lò phản ứng bed lưu chất tuần hoàn quy mô pilot bằng cách sử dụng zeolite HZSM-5 với các tỷ lệ C/B khác nhau. Tỷ lệ C/B ảnh hưởng đến phân bố sản phẩm tổng thể, phân bố nguyên tố và đặc điểm của các sản phẩm lỏng. Việc tăng tỷ lệ C/B làm tăng khả năng chuyển đổi hơi pyrolyse nhưng điều này không dẫn đến sự cải thiện liên tục về chất lượng dầu sinh học. Tuy nhiên, tỷ lệ C/B là một yếu tố có thể được sử dụng để tối ưu hóa quá trình pyrolyse nhanh xúc tác.

Nghiên cứu này tập trung vào việc ngăn chặn hiện tượng sụt giảm điện áp và cải thiện hiệu suất điện hóa của vật liệu giàu Lithium và dựa trên mangan (LRM) bằng cách sử dụng lớp phủ Nb₂O₅, điều này được thực hiện qua một quy trình hóa học mềm hiệu quả sử dụng hỗn hợp ethanol và nước làm dung môi đồng. Sau khi được phủ Nb₂O₅, vật liệu thu được cho thấy hiệu suất điện hóa vượt trội như là vật liệu cực âm cho pin lithium. Đặc biệt, nó thể hiện khả năng duy trì dung lượng xuất sắc đạt 98 % sau 200 chu kỳ tại 1 C (1 C=250 mA g⁻¹). Hiện tượng sụt giảm điện áp trong quá trình chu kỳ cũng được ngăn chặn rõ rệt nhờ lớp phủ Nb₂O₅. Hơn nữa, nó biểu hiện khả năng cấp điện vượt trội, cung cấp 189 và 152 mAh g⁻¹ tại các mật độ dòng cao lần lượt là 2 và 5 C. Hiệu suất điện hóa được cải thiện của mẫu được phủ Nb₂O₅ có thể được quy cho việc Nb₂O₅ có khả năng ngăn chặn biến đổi pha và sụt giảm điện áp bằng cách đóng vai trò không chỉ là một dẫn điện ion nhanh chóng để tăng tốc độ khuếch tán ion lithium tại giao diện cực âm/dung dịch điện ly mà còn là một lớp bảo vệ trơ để giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp giữa cực âm và dung dịch điện ly.