Et forskerteam fra National Taiwan University, ledet af professor Chih-Jung Chen, har udviklet en innovativ elektrokemisk platform, der er i stand til effektivt at omdanne biomasse til kemikalier med høj værdi, samtidig med at membranerne genererer brintbrændstof-uden brug af konventionelle elektrolytter eller ion-exchange-membraner.
Denne fremskridt tilbyder en lovende løsning på langvarige udfordringer inden for bæredygtig kemisk produktion og rene energiteknologier.
I deres undersøgelse offentliggjort i Chemical Engineering Journalintroducerede teamet et “redox-reservoir” (RR) -system, der afkobler oxidationen af 5-hydroxymethylfurfural (HMF)-en nøglebiomasse-afledt forbindelse-fra hydrogenudviklingsreaktionen (HER).
Ved at adskille disse to halvreaktioner både rumligt og midlertidigt minimerer systemet uønskede bivirkninger og tillader større kontrol over hver proces.
Traditionelt udføres HMF -oxidation i stærkt alkaliske elektrolytter for at forbedre reaktionshastighederne. Imidlertid udløser sådanne miljøer ofte uønskede bivirkninger som Cannizzaro -disproportion og humindannelse, hvilket reducerer produktudbyttet og kulstofeffektivitet. Desuden kan den katodiske hendes proces yderligere destabilisere HMF -molekyler, hvilket fører til betydeligt kulstoftab.
For at tackle disse begrænsninger designede forskerne en genanvendelig RR-elektrode sammensat af nikkel-oxyhydroxid (NIOOH), der fungerer som en fast tilstand oxidant.
I rent vand oxideres RR kemisk HMF uden behov for elektrolytsalte eller ekstern spænding, der gennemgår omdannelse til nikkelhydroxid (Ni (OH)2). Denne reducerede form af RR kan derefter regenereres elektrokemisk under hende og derved afslutte redoxcyklussen.
“Konceptet ligner pumpet hydroopbevaring, men implementeret på mikroskalaen,” forklarede hovedforfatter Shih-Wei Lin. “Energi opbevares elektrokemisk i RR -elektroden under hende og frigives senere kemisk for at drive biomasseoxidation – effektivt og rent.”
Platformen demonstrerede bemærkelsesværdig ydelse og opnåede et 97,4% udbytte på 2,5-Furandicarboxylsyre (FDCA)-en nøgle-monomer for bioplast-fra HMF-koncentrationer så høje som 300 mM, der nærmer sig industrielt relevante niveauer.
Under hendes trin opretholdt regenereringen af NIOOH en faradaisk effektivitet på 96,0%, mens den samlede proces opnåede en højspændingseffektivitet på 94,8%.
“Vores fund åbner nye muligheder for grøn kemisk syntese,” sagde professor Chih-Jung Chen. “Systemet er også i stand til at oxidere andre organiske molekyler, der indeholder aldehyd- eller alkoholgrupper, såsom furfural, understreger dets alsidighed.”
Ved at eliminere understøttende elektrolytter og membrankomponenter reducerer fremgangsmåden energikrav, sænker materialomkostninger og forenkler nedstrømsoprensning. Det minimerer også kulstoftab og forbedrer produktrenheden og tilbyder en skalerbar og bæredygtig vej til produktion af biobaserede kemikalier og rent brint.
Dette gennembrud repræsenterer et kritisk skridt i retning af at dekarbonisere den kemiske industri og udnytte vedvarende elektricitet til miljøansvarlige kemiske transformationer.