Nature.com غا كىرگىنىڭىزگە رەھمەت. سىز ئىشلىتىۋاتقان تور كۆرگۈچنىڭ نەشرىدە CSS قوللاش چەكلىك. ئەڭ ياخشى نەتىجىگە ئېرىشىش ئۈچۈن، تور كۆرگۈچنىڭ يېڭى نەشرىنى ئىشلىتىشىڭىزنى (ياكى Internet Explorer دا ماسلىشىشچانلىق ھالىتىنى چەكلىشىڭىزنى) تەۋسىيە قىلىمىز. بۇ ئارىلىقتا، داۋاملىق قوللاشنى كاپالەتلەندۈرۈش ئۈچۈن، بىز تور بېكەتنى ئۇسلۇبسىز ياكى JavaScriptسىز كۆرسىتىۋاتىمىز.
كاربون تۆت ئوكسىدنى فورمىك كىسلاتاسىغا ئېلېكتروخىمىيىلىك قايتۇرۇش كاربون تۆت ئوكسىدنىڭ ئىشلىتىلىشىنى ياخشىلاشنىڭ ئۈمىدۋار ئۇسۇلى بولۇپ، ھىدروگېن ساقلاش ۋاسىتىسى سۈپىتىدە قوللىنىشقا بولىدۇ. بۇ ئەسەردە، كاربون تۆت ئوكسىدتىن فورمىك كىسلاتانى بىۋاسىتە ئېلېكتروخىمىيىلىك بىرىكتۈرۈش ئۈچۈن نۆل بوشلۇقلۇق پەردە ئېلېكترود يىغىش قۇرۇلمىسى ئىجاد قىلىندى. مۇھىم تېخنىكىلىق ئىلگىرىلەش تۆشۈكلۈك كاتىيون ئالماشتۇرۇش پەردىسى بولۇپ، ئۇ ئالدىغا مايىل ئىككى قۇتۇپلۇق پەردە قۇرۇلمىسىدا ئىشلىتىلگەندە، پەردە چېگرىسىدا شەكىللەنگەن فورمىك كىسلاتانىڭ 0.25 M غىچە بولغان قويۇقلۇقتا ئانود ئېقىم مەيدانى ئارقىلىق يۆتكىلىشىگە يول قويىدۇ. ئانود بىلەن كاتود ئارىسىدا قوشۇمچە ساندۋىچ تەركىبلىرى بولمىغان بۇ ئۇقۇم يېقىلغۇ باتارېيەسى ۋە ھىدروگېن ئېلېكترولىزىدا كۆپ ئۇچرايدىغان مەۋجۇت باتارېيە ماتېرىياللىرى ۋە لايىھەلىرىدىن پايدىلىنىشنى مەقسەت قىلىدۇ، بۇ ئارقىلىق كېڭەيتىش ۋە سودىلىشىشقا تېزراق ئۆتۈشكە يول قويىدۇ. 25 cm2 لىق باتارېيەدە، تۆشۈكلۈك كاتىيون ئالماشتۇرۇش پەردە قۇرۇلمىسى <2 V ۋە 300 mA/cm2 دا فورمىك كىسلاتا ئۈچۈن %75 تىن يۇقىرى فارادېي ئۈنۈمى بىلەن تەمىنلەيدۇ. ئەڭ مۇھىمى، 200 mA/cm2 دا 55 سائەتلىك مۇقىملىق سىنىقى فارادېي ئۈنۈمى ۋە باتارېيە توك بېسىمىنىڭ مۇقىملىقىنى كۆرسەتتى. ھازىرقى فورمىك كىسلاتا ئىشلەپچىقىرىش ئۇسۇللىرى بىلەن تەننەرخ تەڭلىكىگە ئېرىشىشنىڭ ئۇسۇللىرىنى كۆرسىتىش ئۈچۈن تېخنىكىلىق-ئىقتىسادىي ئانالىز قوللىنىلىدۇ.
قايتا ھاسىل بولىدىغان ئېلېكتر ئېنېرگىيەسى ئارقىلىق كاربون تۆت ئوكسىدنى فورمىك كىسلاتاسىغا ئېلېكتروخىمىيىلىك ئۇسۇلدا ئازايتىش ئىشلەپچىقىرىش تەننەرخىنى ئەنئەنىۋى قېزىلما يېقىلغۇغا ئاساسلانغان ئۇسۇللارغا سېلىشتۇرغاندا %75 گىچە تۆۋەنلىتىدىغانلىقى ئىسپاتلاندى1. ئەدەبىياتلاردا كۆرسىتىلگەندەك2،3، فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئىشلىتىلىش دائىرىسى كەڭ بولۇپ، ۋودورودنى ساقلاش ۋە توشۇشنىڭ ئۈنۈملۈك ۋە ئىقتىسادىي ۋاسىتىسىدىن تارتىپ خىمىيە سانائىتى4،5 ياكى بىئوماسسا سانائىتى6 ئۈچۈن خام ئەشياغىچە بولىدۇ. فورمىك كىسلاتاسى ھەتتا ماددا ئالمىشىش قۇرۇلۇشى ئارقىلىق كېيىنكى ئىمكانىيەتلىك رېئاكتىپ يېقىلغۇ ئارىلىق مەھسۇلاتلىرىغا ئايلاندۇرۇشنىڭ خام ئەشياسى دەپ قارالدى7،8. فورمىك كىسلاتا ئىقتىسادى1،9 نىڭ تەرەققىي قىلىشىغا ئەگىشىپ، بىر قىسىم تەتقىقات خىزمەتلىرى كاتالىزاتور تاللاشچانلىقىنى ئەلالاشتۇرۇشقا مەركەزلەشتى10،11،12،13،14،15،16. قانداقلا بولمىسۇن، نۇرغۇن تىرىشچانلىقلار تۆۋەن توك زىچلىقىدا (<50 mA/cm2) ئىشلەيدىغان كىچىك H ھۈجەيرىلىرى ياكى سۇيۇق ئېقىم ھۈجەيرىلىرىگە مەركەزلەشمەكتە. چىقىمنى ئازايتىش، سودىلىشىشنى ئەمەلگە ئاشۇرۇش ۋە كېيىنكى بازارغا كىرىشنى ئاشۇرۇش ئۈچۈن، ئېلېكتروخىمىيىلىك كاربون تۆت ئوكسىدنى ئازايتىش (CO2R) يۇقىرى توك زىچلىقى (≥200 mA/cm2) ۋە فارادېي ئۈنۈمى (FE)17 دە ئېلىپ بېرىلىشى كېرەك، شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا ماتېرىيال ئىشلىتىشنى ئەڭ چوڭ دەرىجىدە ئاشۇرۇش ۋە يېقىلغۇ باتارېيەسى تېخنىكىسىدىن ئېلىنغان باتارېيە زاپچاسلىرىنى ئىشلىتىش ۋە سۇ ئېلېكترولىزى CO2R ئۈسكۈنىلىرىنىڭ كۆلەم ئىقتىسادىدىن پايدىلىنىشىغا يول قويىدۇ18. بۇنىڭدىن باشقا، ئىشلەپچىقىرىشنىڭ پايدىلىقلىقىنى ئاشۇرۇش ۋە قوشۇمچە كېيىنكى پىششىقلاپ ئىشلەشتىن ساقلىنىش ئۈچۈن، تۇز شەكلىنى ئۆزگەرتىش ئورنىغا ئاخىرقى مەھسۇلات سۈپىتىدە فورمىك كىسلاتا ئىشلىتىلىشى كېرەك19.
بۇ يۆنىلىشتە، يېقىندا سانائەتكە ماس كېلىدىغان CO2R فورمات/فورمىك كىسلاتا ئاساس قىلىنغان گاز تارقىلىش ئېلېكترودى (GDE) ئۈسكۈنىلىرىنى تەرەققىي قىلدۇرۇش ئۈچۈن تىرىشچانلىقلار كۆرسىتىلدى. فېرناندېز-كاسو قاتارلىقلارنىڭ ئومۇميۈزلۈك تەكشۈرۈشىدە، CO2 نى فورمىك كىسلاتا/فورمىكقا ئۈزلۈكسىز قايتۇرۇش ئۈچۈن بارلىق ئېلېكتروخىمىيىلىك ھۈجەيرە سەپلىمىلىرى خۇلاسىلەنگەن. ئادەتتە، بارلىق مەۋجۇت سەپلىمىلەرنى ئۈچ ئاساسلىق تۈرگە بۆلۈشكە بولىدۇ: 1. ئېقىۋاتقان كاتولىتلار19،21،22،23،24،25،26،27، 2. يەككە پەردە (كاتىيون ئالماشتۇرۇش پەردىسى (CEM)28 ياكى ئانيون ئالماشتۇرۇش پەردىسى (AEM)29 ۋە 3. ساندۋىچ سەپلىمىسى15،30،31،32. بۇ سەپلىمىلەرنىڭ ئاددىيلاشتۇرۇلغان كېسىشمە يۈزى 1a-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. كاتولىتنىڭ ئېقىۋاتقان سەپلىمىسى ئۈچۈن، پەردە بىلەن GDE نىڭ كاتودى ئوتتۇرىسىدا ئېلېكترولىت كامېراسى ھاسىل قىلىنىدۇ. ئېقىۋاتقان كاتولىت كاتالىزاتورنىڭ كاتود قەۋىتىدە ئىئون قاناللىرىنى ھاسىل قىلىش ئۈچۈن ئىشلىتىلىدۇ33، گەرچە ئۇنىڭ فورمات تاللاشچانلىقىنى كونترول قىلىش ئېھتىياجى مۇنازىرە قىلىنسىمۇ34. قانداقلا بولمىسۇن، بۇ سەپلىمىنى چېن قاتارلىقلار ئىشلەتكەن. 1.27 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى كاتولىت قەۋىتى بار كاربون ئاساسىدىكى SnO2 كاتودىنى ئىشلىتىپ، 500 mA/cm2 دا %90 گىچە FE 35 ھاسىل قىلىندى. قېلىن كاتولىت قەۋىتى ۋە ئىئون يۆتكىلىشىنى چەكلەيدىغان تەتۈر يۆنىلىشلىك ئىككى قۇتۇپلۇق پەردە (BPM) 6 V خىزمەت توك بېسىمى ۋە 15% ئېنېرگىيە ئۈنۈمى بىلەن تەمىنلەيدۇ. ئېنېرگىيە ئۈنۈمىنى يۇقىرى كۆتۈرۈش ئۈچۈن، لى قاتارلىقلار يەككە CEM قۇرۇلمىسىنى ئىشلىتىپ، 51.7 mA/cm2 كەسىر توك زىچلىقىدا %93.3 FE 29 غا ئېرىشتى. دىئاز-ساينز قاتارلىقلار 45 mA/cm2 توك زىچلىقىدا يەككە CEM پەردىسى بار سۈزگۈچ پرېسنى ئىشلەتتى. قانداقلا بولمىسۇن، بارلىق ئۇسۇللار ئەڭ ياخشى مەھسۇلات بولغان فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئورنىغا فورمات ھاسىل قىلدى. قوشۇمچە بىر تەرەپ قىلىش تەلىپىدىن باشقا، CEM قۇرۇلمىسىدا، KCOOH قاتارلىق فورماتلار GDE ۋە ئېقىم مەيدانىدا تېز توپلىنىپ، توشۇش چەكلىمىسى ۋە ئاخىرىدا ھۈجەيرە مەغلۇبىيىتىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ.
بۇ تەتقىقاتتا ئوتتۇرىغا قويۇلغان ئۈچ خىل ئەڭ داڭلىق CO2R دىن فورمات/فورمىك كىسلاتاغا ئايلاندۇرۇش ئۈسكۈنىسى سەپلىمىسى ۋە ئارخىتېكتۇرانى سېلىشتۇرۇش. b ئەدەبىياتتىكى كاتولىت سەپلىمىسى، ساندۋىچ سەپلىمىسى، يەككە CEM سەپلىمىسى (S1 قوشۇمچە جەدۋەلدە كۆرسىتىلگەن) ۋە بىزنىڭ خىزمىتىمىز ئۈچۈن ئومۇمىي توك ۋە فورمات/فورمىك كىسلاتا مەھسۇلات مىقدارىنى سېلىشتۇرۇش. ئوچۇق بەلگىلەر فورمات ئېرىتمىسىنىڭ ئىشلەپچىقىرىلىشىنى، قاتتىق بەلگىلەر بولسا فورمىك كىسلاتانىڭ ئىشلەپچىقىرىلىشىنى كۆرسىتىدۇ. *ئانودتا ھىدروگېن ئىشلىتىپ كۆرسىتىلگەن سەپلىمى. c ئالدىغا يۆتكىلىش ھالىتىدە ئىشلەيدىغان تۆشۈكلۈك كاتىيون ئالماشتۇرۇش قەۋىتى بار بىرىكمە قۇتۇپلۇق پەردە ئىشلىتىلگەن نۆل بوشلۇقلۇق MEA سەپلىمىسى.
فورمات شەكىللىنىشىنىڭ ئالدىنى ئېلىش ئۈچۈن، پرويېتتو قاتارلىقلار 32 ئىئونسىزلاشتۇرۇلغان سۇ ئارىلىق قەۋەتتىن ئۆتىدىغان بۆلۈنمەيدىغان سۈزگۈچ بېسىش قۇرۇلمىسىنى ئىشلەتكەن. بۇ سىستېما 50-80 mA/cm2 توك زىچلىقى دائىرىسىدە %70 تىن يۇقىرى CE غا ئېرىشەلەيدۇ. شۇنىڭغا ئوخشاش، ياڭ قاتارلىقلار 14 CEM بىلەن AEM ئارىلىقىدا قاتتىق ئېلېكترولىت ئارىلىق قەۋىتى ئىشلىتىپ، فورمىك كىسلاتاسىنىڭ شەكىللىنىشىنى ئىلگىرى سۈرۈشنى تەكلىپ قىلغان. ياڭ قاتارلىقلار 31،36 5 cm2 كاتەكچىدە 200 mA/cm2 دا %91.3 FE غا ئېرىشىپ، %6.35 فورمىك كىسلاتا ئېرىتمىسى ھاسىل قىلغان. شيا قاتارلىقلار ئوخشاش قۇرۇلمىنى ئىشلىتىپ، 200 mA/cm2 دا كاربون تۆت ئوكسىد (CO2) نىڭ فورمىك كىسلاتا FE غا ئايلىنىشى %83 كە يەتكەن، ھەمدە سىستېمىنىڭ چىدامچانلىقى 100 سائەت 30 مىنۇت سىناق قىلىنغان. كىچىك كۆلەمدىكى نەتىجىلەر ئۈمىدۋار بولسىمۇ، تۆشۈكلۈك ئىئون ئالماشتۇرۇش قالدۇقلىرىنىڭ تەننەرخىنىڭ ئېشىشى ۋە مۇرەككەپلىكى قەۋەتلەر ئارا سەپلىمىنى چوڭراق سىستېمىلارغا (مەسىلەن، 1000 cm2) كېڭەيتىشنى قىيىنلاشتۇرىدۇ.
ھەر خىل لايىھەلەرنىڭ ساپ ئۈنۈمىنى كۆز ئالدىمىزغا كەلتۈرۈش ئۈچۈن، بىز ئىلگىرى تىلغا ئېلىنغان بارلىق سىستېمىلارنىڭ ھەر كىلوۋات سائەتتىكى فورمات/فورمىك كىسلاتا ئىشلەپچىقىرىش مىقدارىنى جەدۋەلگە كىرگۈزدۇق ۋە ئۇلارنى 1b-رەسىمدە سىزدۇق. بۇ يەردە كاتولىت ياكى ئارىلىق قەۋەتنى ئۆز ئىچىگە ئالغان ھەر قانداق سىستېمىنىڭ ئىقتىدارى تۆۋەن توك زىچلىقىدا ئەڭ يۇقىرى چەككە يېتىپ، يۇقىرى توك زىچلىقىدا چېكىنىپ كېتىدىغانلىقى ئېنىق، بۇ يەردە ئوم چەكلىمىسى ھۈجەيرە توك بېسىمىنى بەلگىلىشى مۇمكىن. ئۇنىڭدىن باشقا، ئېنېرگىيە تېجەيدىغان CEM قۇرۇلمىسى ھەر كىلوۋات سائەتتىكى ئەڭ يۇقىرى مولار فورمىك كىسلاتا ئىشلەپچىقىرىش مىقدارىنى تەمىنلىسىمۇ، تۇزنىڭ يىغىلىشى يۇقىرى توك زىچلىقىدا ئىقتىدارنىڭ تېز چېكىنىشىگە ئېلىپ كېلىشى مۇمكىن.
ئىلگىرى مۇھاكىمە قىلىنغان مەغلۇبىيەت ھالىتىنى پەسەيتىش ئۈچۈن، بىز تۆشۈكلۈك كاتىيون ئالماشتۇرۇش پەردىسى (PCEM) بىلەن بىرىكمە ئالدىغا مايىل BPM نى ئۆز ئىچىگە ئالغان پەردە ئېلېكترود قۇرۇلمىسى (MEA) نى تەرەققىي قىلدۇردۇق. قۇرۇلمىسى 1c-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. ھىدروگېن (H2) ھىدروگېن ئوكسىدلىنىش رېئاكسىيەسى (HOR) ئارقىلىق پروتون ھاسىل قىلىش ئۈچۈن ئانودقا كىرگۈزۈلىدۇ. كاتودتا ھاسىل بولغان شەكىل ئىئونلىرىنىڭ AEM دىن ئۆتۈشىگە، پروتونلار بىلەن بىرلىشىپ BPM چېگرىسى ۋە CEM نىڭ ئارىلىق تۆشۈكلىرىدە فورمىك كىسلاتا ھاسىل قىلىشىغا، ئاندىن GDE ئانود ۋە ئېقىم مەيدانىدىن چىقىشىغا يول قويۇش ئۈچۈن BPM سىستېمىسىغا بىر PCEM قەۋىتى كىرگۈزۈلىدۇ. بۇ قۇرۇلمىنى ئىشلىتىپ، بىز 25 cm2 ھۈجەيرە كۆلىمى ئۈچۈن <2 V ۋە 300 mA/cm2 دا فورمىك كىسلاتاسىنىڭ 75% تىن يۇقىرى FE غا ئېرىشتۇق. ئەڭ مۇھىمى، بۇ لايىھە يېقىلغۇ ھۈجەيرىسى ۋە سۇ ئېلېكترولىز زاۋۇتلىرى ئۈچۈن بازاردا سېتىلىۋاتقان زاپچاسلار ۋە ئۈسكۈنە قۇرۇلمىسىنى ئىشلىتىپ، كۆلەمنى تېزلەشتۈرۈشكە شارائىت ھازىرلايدۇ. كاتولىت قۇرۇلمىلىرى كاتولىت ئېقىم كامېراسىنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ، بۇ بولۇپمۇ چوڭراق ھۈجەيرە قۇرۇلمىلىرىدا گاز ۋە سۇيۇقلۇق باسقۇچلىرى ئارىسىدا بېسىم تەڭپۇڭسىزلىقىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ. سۇيۇقلۇق ئېقىمىنىڭ تۆشۈك قەۋەتلىك ساندۋىچ قۇرۇلمىلىرى ئۈچۈن، تۆشۈك قەۋىتىنى ئەلالاشتۇرۇش ئۈچۈن، ئارىلىق قەۋەتتىكى بېسىم چۈشۈشى ۋە كاربون تۆت ئوكسىدنىڭ يىغىلىشىنى ئازايتىش ئۈچۈن زور تىرىشچانلىق كۆرسىتىش كېرەك. بۇلارنىڭ ھەر ئىككىسى ھۈجەيرە ئالاقىسىنىڭ ئۈزۈلۈشىگە ئېلىپ كېلىشى مۇمكىن. چوڭ كۆلەمدە مۇستەقىل تۇرغان نېپىز تۆشۈك قەۋەتلەرنى ئىشلەپچىقىرىشمۇ تەس. ئەكسىچە، تەكلىپ قىلىنغان يېڭى قۇرۇلما ئېقىم كامېراسى ياكى ئارىلىق قەۋەتنى ئۆز ئىچىگە ئالمىغان نۆل بوشلۇقلۇق MEA قۇرۇلمىسى. باشقا مەۋجۇت ئېلېكتروخىمىيەلىك ھۈجەيرىلەرگە سېلىشتۇرغاندا، تەكلىپ قىلىنغان قۇرۇلما ئۆزگىچە بولۇپ، ئۇ كېڭەيتكىلى بولىدىغان، ئېنېرگىيە تېجەيدىغان، نۆل بوشلۇقلۇق قۇرۇلمىدا فورمىك كىسلاتاسىنى بىۋاسىتە سىنتېز قىلىشقا يول قويىدۇ.
ھىدروگېن ئېۋولياتسىيەسىنى باستۇرۇش ئۈچۈن، كەڭ كۆلەملىك CO2 ئازايتىش تىرىشچانلىقلىرى كاتودتا ئىشقارلىق شارائىت يارىتىش ئۈچۈن MEA ۋە AEM پەردە سەپلىمىسىنى يۇقىرى مول قويۇقلۇقتىكى ئېلېكترولىتلار (مەسىلەن، 1-10 M KOH) بىلەن بىرلەشتۈرۈپ ئىشلەتتى (2a-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك). بۇ سەپلىمىلەردە، كاتودتا شەكىللەنگەن فورما ئىئونلىرى پەردىدىن مەنپىي زەرەتلەنگەن تۈر سۈپىتىدە ئۆتۈپ، ئاندىن KCOOH شەكىللىنىدۇ ۋە ئانودلۇق KOH ئېقىمى ئارقىلىق سىستېمىدىن چىقىدۇ. 2b-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك، فورما FE ۋە ھۈجەيرە توك بېسىمى دەسلەپتە پايدىلىق بولسىمۇ، مۇقىملىق سىنىقى پەقەت 10 سائەت ئىچىدە FE نىڭ تەخمىنەن %30 تۆۋەنلىشىنى كەلتۈرۈپ چىقاردى (S1a-c-رەسىم). شۇنى ئەسكەرتىش كېرەككى، ئىشقارلىق ئوكسىگېن ئېۋولياتسىيە رېئاكسىيەسى (OER) سىستېمىلىرىدىكى ئانودلۇق توك بېسىمىنى ئەڭ تۆۋەن چەككە چۈشۈرۈش37 ۋە كاتود كاتالىزاتور قەۋىتى ئىچىدە ئىئونغا ئېرىشىشكە ئېرىشىش33 ئۈچۈن 1 M KOH ئانولىتىنى ئىشلىتىش ناھايىتى مۇھىم. ئانولىت قويۇقلۇقى 0.1 M KOH غا چۈشكەندە، ھۈجەيرە توك بېسىمى ۋە فورمىك كىسلاتا ئوكسىدلىنىشى (فورمىك كىسلاتاسىنىڭ يوقىلىشى) ئاشىدۇ (S1d-رەسىم)، بۇ نۆل يىغىندىلىق ئالماشتۇرۇشنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. فورمىك ئوكسىدلىنىش دەرىجىسى ئومۇمىي ماسسا تەڭپۇڭلۇقى ئارقىلىق باھالانغان؛ تېخىمۇ كۆپ تەپسىلاتلار ئۈچۈن «ئۇسۇللار» بۆلۈمىگە قاراڭ. MEA ۋە يەككە CEM پەردە سەپلىمىسىنى ئىشلەتكەن ئىقتىدارمۇ تەتقىق قىلىنغان، نەتىجىلەر S1f,g-رەسىملەردە كۆرسىتىلگەن. كاتودتىن توپلانغان FE فورمىكى سىناق باشلانغاندا 200 mA/cm2 دا %60 تىن يۇقىرى بولغان، ئەمما ئىلگىرى مۇھاكىمە قىلىنغان كاتود تۇزىنىڭ توپلىنىشى سەۋەبىدىن ئىككى سائەت ئىچىدە تېز پارچىلانغان (S11-رەسىم).
كاتودتا CO2R، ئانودتا ھىدروگېن ئوكسىدلىنىش رېئاكسىيەسى (HOR) ياكى OER ۋە ئارىلىقىدا بىر AEM پەردىسى بار نۆل بوشلۇقلۇق MEA نىڭ سىخېمىسى. b بۇ كونفىگۇراتسىيە ئۈچۈن FE ۋە ھۈجەيرە توك بېسىمى ئانودتا 1 M KOH ۋە OER ئېقىۋاتىدۇ. خاتالىق بالداقلىرى ئۈچ خىل ئۆلچەشنىڭ ئۆلچەملىك چېكىنىشىنى كۆرسىتىدۇ. ئانودتا H2 ۋە HOR بولغان FE ۋە سىستېما ھۈجەيرە توك بېسىمى. فورمات ۋە فورمىك كىسلاتا ئىشلەپچىقىرىشنى پەرقلەندۈرۈش ئۈچۈن ھەر خىل رەڭلەر ئىشلىتىلىدۇ. d ئوتتۇرىدا ئالدىغا يۆتكەلگەن BPM بىلەن MEA نىڭ سىخېما دىئاگراممىسى. بۇ كونفىگۇراتسىيەنى ئىشلىتىپ 200 mA/cm2 دە FE ۋە باتارېيە توك بېسىمىنىڭ ۋاقىتقا سېلىشتۇرغاندا پەرقى. f قىسقا سىناقتىن كېيىن ئالدىغا يۈزلەنگەن BPM MEA نىڭ كېسىشمە رەسىمى.
فورمىك كىسلاتا ئىشلەپچىقىرىش ئۈچۈن، ھىدروگېن ئانودتىكى Pt-كاربون (Pt/C) كاتالىزاتورىغا بېرىلىدۇ. 2d-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك، ئانودتىكى ئالدىغا مايىل BPM ھاسىل قىلىدىغان پروتونلار فورمىك كىسلاتا ئىشلەپچىقىرىشقا ئېرىشىش ئۈچۈن ئىلگىرى تەكشۈرۈلگەن. BPM تەڭشەش ئۈسكۈنىسى 200 mA/cm2 توك بىلەن 40 مىنۇت ئىشلىگەندىن كېيىن، 5 V دىن يۇقىرى توك بېسىمى بىلەن بىللە مەغلۇب بولغان (2e-رەسىم). سىناق قىلىنغاندىن كېيىن، CEM/AEM چېگرىسىدا روشەن قېپقالىش كۆرۈلدى. فورماتتىن باشقا، كاربونات، بىكاربونات ۋە گىدروكسىد قاتارلىق ئانيونلارمۇ AEM پەردىسىدىن ئۆتۈپ، CEM/AEM چېگرىسىدا پروتونلار بىلەن رېئاكسىيە قىلىپ، CO2 گازى ۋە سۇيۇق سۇ ھاسىل قىلىپ، BPM قېپقالىشىغا سەۋەب بولىدۇ (2f-رەسىم) ۋە ئاخىرىدا ھۈجەيرە مەغلۇبىيىتىگە ئېلىپ كېلىدۇ.
يۇقىرىدىكى سەپلىمە ئىقتىدارى ۋە مەغلۇبىيەت مېخانىزمىغا ئاساسەن، 1c-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك ۋە 3a38-رەسىمدە تەپسىلىي كۆرسىتىلگەندەك، يېڭى MEA قۇرۇلمىسى تەكلىپ قىلىندى. بۇ يەردە، PCEM قەۋىتى CEM/AEM چېگرىسىدىن فورمىك كىسلاتا ۋە ئانيونلارنىڭ يۆتكىلىشى ئۈچۈن يول بىلەن تەمىنلەيدۇ، شۇنىڭ بىلەن ماددىنىڭ توپلىنىشىنى ئازايتىدۇ. شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا، PCEM ئارىلىق يولى فورمىك كىسلاتانى تارقىلىش مۇھىتى ۋە ئېقىم مەيدانىغا يېتەكلەيدۇ، فورمىك كىسلاتانىڭ ئوكسىدلىنىش ئېھتىماللىقىنى ئازايتىدۇ. قېلىنلىقى 80، 40 ۋە 25 مىللىمېتىر بولغان AEM لارنى ئىشلەتكەندە قۇتۇپلىشىش نەتىجىسى 3b-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. مۆلچەرلىنىشىچە، ئومۇمىي ھۈجەيرە توك بېسىمى AEM قېلىنلىقىنىڭ ئېشىشىغا ئەگىشىپ ئاشسىمۇ، قېلىنراق AEM ئىشلىتىش فورمىك كىسلاتانىڭ تەتۈر تارقىلىشىنىڭ ئالدىنى ئالىدۇ، شۇنىڭ بىلەن كاتودنىڭ pH قىممىتىنى ئاشۇرىدۇ ۋە H2 ئىشلەپچىقىرىشنى ئازايتىدۇ (3c-e-رەسىم).
a AEM ۋە تۆشۈكلۈك CEM ۋە ھەر خىل فورمىك كىسلاتا توشۇش يوللىرى بىلەن MEA قۇرۇلمىسىنىڭ مىسالى. b ھەر خىل توك زىچلىقى ۋە ھەر خىل AEM قېلىنلىقىدىكى ھۈجەيرە توك بېسىمى. ھەر خىل توك زىچلىقىدىكى EE دا AEM قېلىنلىقى 80 μm (d) 40 μm، e) 25 μm. خاتالىق بالداقلىرى ئۈچ ئايرىم ئەۋرىشكە ئارقىلىق ئۆلچەنگەن ئۆلچەملىك چەتنىشنى كۆرسىتىدۇ. f ھەر خىل AEM قېلىنلىقىدىكى CEM/AEM چېگرىسىدىكى فورمىك كىسلاتا قويۇقلۇقى ۋە pH قىممىتىنىڭ سىمۇلياتسىيە نەتىجىلىرى. f ھەر خىل AEM پىلاستىنكا قېلىنلىقىدىكى كاتالىزاتورنىڭ كاتود قەۋىتىدىكى PC ۋە pH. g CEM/AEM چېگرىسى ۋە تۆشۈك بىلەن فورمىك كىسلاتا قويۇقلۇقىنىڭ ئىككى ئۆلچەملىك تارقىلىشى.
S2-رەسىمدە پوئىسسون-نېرنست-پلانك چەكلىك ئېلېمېنت مودېلى ئارقىلىق MEA قېلىنلىقىدىكى فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى ۋە pH قىممىتىنىڭ تارقىلىشى كۆرسىتىلگەن. فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئەڭ يۇقىرى قويۇقلۇقى، يەنى 0.23 مول/لىتىر، CEM/AEM چېگرىسىدا كۆزىتىلگەنلىكى ھەيران قالارلىق ئەمەس، چۈنكى فورمىك كىسلاتا بۇ چېگرىسىدا ھاسىل بولىدۇ. AEM نىڭ قېلىنلىقى ئاشقانسېرى، فورمىك كىسلاتاسىنىڭ AEM ئارقىلىق قويۇقلۇقى تېخىمۇ تېز تۆۋەنلەيدۇ، بۇ ماسسا يۆتكىلىشىگە بولغان قارشىلىقنىڭ يۇقىرى ئىكەنلىكىنى ۋە ئارقا تارقىلىش سەۋەبىدىن فورمىك كىسلاتا ئېقىمىنىڭ ئازىيىدىغانلىقىنى كۆرسىتىدۇ. 3-رەسىمنىڭ f ۋە g دا ئارقا تارقىلىش سەۋەبىدىن كاتود كاتالىزاتور قەۋىتىدىكى pH قىممىتى ۋە فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقىنىڭ ئىككى ئۆلچەملىك تارقىلىشى كۆرسىتىلگەن. AEM پەردىسى قانچە نېپىز بولسا، كاتودقا يېقىن فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى شۇنچە يۇقىرى بولىدۇ، كاتودنىڭ pH قىممىتى كىسلاتاغا ئايلىنىدۇ. شۇڭا، قېلىن AEM پەردىلىرى ئوم زىيىنىنىڭ يۇقىرى بولۇشىغا سەۋەب بولسىمۇ، ئۇلار فورمىك كىسلاتاسىنىڭ كاتودقا ئارقا تارقىلىشىنىڭ ئالدىنى ئېلىش ۋە FE فورمىك كىسلاتا سىستېمىسىنىڭ يۇقىرى ساپلىقىنى ئەڭ چوڭ چەككە يەتكۈزۈشتە ئىنتايىن مۇھىم. ئاخىرىدا، AEM قېلىنلىقىنى 80 μm غا ئاشۇرۇش، <2 V دا فورمىك كىسلاتاسى ئۈچۈن FE نىڭ %75 تىن يۇقىرى بولۇشىغا، 25 cm2 ھۈجەيرە كۆلىمى ئۈچۈن بولسا 300 mA/cm2 غا يېتىشىگە سەۋەب بولدى.
بۇ PECM ئاساسلىق قۇرۇلمىنىڭ مۇقىملىقىنى سىناق قىلىش ئۈچۈن، باتارېيە توكى 55 سائەت ئىچىدە 200 mA/cm2 دا ساقلاندى. ئومۇمىي نەتىجىلەر 4-رەسىمدە كۆرسىتىلدى، دەسلەپكى 3 سائەتتىكى نەتىجىلەر S3-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. Pt/C ئانود كاتالىزاتورىنى ئىشلەتكەندە، ھۈجەيرە توك بېسىمى دەسلەپكى 30 مىنۇت ئىچىدە كەسكىن ئاشتى (S3a-رەسىم). ئۇزۇنراق ۋاقىت ئىچىدە، ھۈجەيرە توك بېسىمى ئاساسەن مۇقىم بولۇپ، پارچىلىنىش سۈرئىتى 0.6 mV/h بولدى (4a-رەسىم). سىناق باشلانغاندا، ئانودتا توپلانغان فورمىك كىسلاتاسىنىڭ PV قىممىتى %76.5، كاتودتا توپلانغان ۋودورودنىڭ PV قىممىتى %19.2 بولدى. سىناق باشلانغاندىن كېيىنكى تۇنجى سائەتتىن كېيىن، ۋودورود FE قىممىتى %13.8 كە چۈشۈپ، فورمات تاللاشچانلىقىنىڭ ياخشىلانغانلىقىنى كۆرسەتتى. قانداقلا بولمىسۇن، سىستېمىدىكى فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئوكسىدلىنىش سۈرئىتى 1 سائەت ئىچىدە %62.7 كە چۈشۈپ، ئانود فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئوكسىدلىنىش سۈرئىتى سىناق باشلانغاندىكى دېگۈدەك نۆلدىن %17.0 كە ئۆرلىدى. كېيىن، H2، CO، فورمىك كىسلاتاسىنىڭ FE ۋە فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئانود ئوكسىدلىنىش سۈرئىتى تەجرىبە جەريانىدا مۇقىم تۇردى. دەسلەپكى بىر سائەت ئىچىدە فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئوكسىدلىنىش سۈرئىتىنىڭ ئېشىشى فورمىك كىسلاتاسىنىڭ PCEM/AEM چېگرىسىدا توپلىنىشىدىن بولۇشى مۇمكىن. فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى ئاشقاندا، ئۇ پەقەت پەردىنىڭ تۆشۈكىدىن چىقىپلا قالماي، يەنە FEM نىڭ ئۆزىدىن تارقىلىپ، Pt/C ئانود قەۋىتىگە كىرىدۇ. فورمىك كىسلاتاسى 60 سېلسىيە گرادۇستا سۇيۇق بولغاچقا، ئۇنىڭ توپلىنىشى ماسسا يۆتكىلىش مەسىلىسىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىپ، ھىدروگېنغا قارىغاندا ئوكسىدلىنىشقا مايىل بولۇشى مۇمكىن.
a ھۈجەيرە توك بېسىمىنىڭ ۋاقىتقا بولغان تەسىرى (200 mA/cm2، 60 °C). قىستۇرما رەسىمدە تۆشۈكلۈك EM بىلەن MEA نىڭ كېسىشمە يۈزىنىڭ ئوپتىكىلىق مىكروسكوپ رەسىمى كۆرسىتىلگەن. كۆلەم بالداق: 300 µm. b Pt/C ئانود ئىشلىتىلگەن 200 mA/cm2 دىكى ۋاقىتقا ئاساسەن PE ۋە فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ساپلىقى.
سىناق باشلىنىش باسقۇچىدىكى (BOT) ئۈلگىلەرنىڭ تەييارلىق جەريانىدا ۋە سىناق ئاخىرلاشقاندا (EOT) 55 سائەتلىك مۇقىملىق سىنىقىدىن كېيىنكى مورفولوگىيەسى نانو-X نۇرى كومپيۇتېر توموگرافىيەسى (nano-CT) ئارقىلىق خاراكتېرلەندى، بۇ رەسىم 5a دا كۆرسىتىلگەندەك. EOT ئۈلگىسىنىڭ كاتالىزاتور زەررىچىسىنىڭ چوڭلۇقى چوڭراق بولۇپ، دىئامېتىرى BOT نىڭ 930 نانومېتىرىغا سېلىشتۇرغاندا 1207 نانومېتىر. يۇقىرى بۇلۇڭلۇق ھالقا شەكىللىك قاراڭغۇ مەيدان سىكانىرلاش ئېلېكترون مىكروسكوپى (HAADF-STEM) رەسىملىرى ۋە ئېنېرگىيە تارقاقلاشتۇرغۇچى رېنتىگېن نۇرى سپېكتروسكوپىيىسى (EDS) نەتىجىلىرى رەسىم 5b دا كۆرسىتىلدى. BOT كاتالىزاتور قەۋىتىدە كۆپىنچە كىچىك كاتالىزاتور زەررىچىلىرى ۋە بەزى چوڭراق توپلاملار بولسىمۇ، EOT باسقۇچىدا كاتالىزاتور قەۋىتىنى ئىككى ئايرىم رايونغا بۆلۈشكە بولىدۇ: بىرى كۆرۈنەرلىك چوڭ قاتتىق زەررىچىلەر، يەنە بىرى تېخىمۇ كۆپ تۆشۈكلۈك رايونلارغا ئىگە. كىچىك زەررىچىلەرنىڭ سانى. EDS رەسىمىدە چوڭ قاتتىق زەررىچىلەرنىڭ Bi، بەلكىم مېتال Bi، ۋە تۆشۈكلۈك رايونلارنىڭ ئوكسىگېنغا مول ئىكەنلىكى كۆرسىتىلدى. ھۈجەيرە 200 mA/cm2 دا ئىشلەنگەندە، كاتودنىڭ مەنپىي پوتېنسىيالى Bi2O3 نىڭ تۆۋەنلىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ، بۇنى تۆۋەندە مۇھاكىمە قىلىنغان ئورۇندىكى رېنتىگېن نۇرى يۇتۇش سپېكتروسكوپىيەسى نەتىجىلىرى ئىسپاتلايدۇ. HAADF-STEM ۋە EDS خەرىتىلەش نەتىجىلىرى Bi2O3 نىڭ تۆۋەنلەش جەريانىغا دۇچ كېلىدىغانلىقىنى، بۇنىڭ ئۇلارنىڭ ئوكسىگېننى يوقىتىپ، چوڭراق مېتال زەررىچىلىرىگە ئايلىنىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدىغانلىقىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. BOT ۋە EOT كاتودلىرىنىڭ رېنتىگېن نۇرى دىفراكسىيەسى ئەندىزىسى EDS سانلىق مەلۇماتلىرىنىڭ چۈشەندۈرۈلۈشىنى جەزملەشتۈرىدۇ (5c-رەسىم): BOT كاتودىدا پەقەت كىرىستال Bi2O3 بايقالغان، EOT كاتودىدا كىرىستال بىمېتال بايقالغان. كاتود پوتېنسىيالىنىڭ Bi2O3 كاتود كاتالىزاتورىنىڭ ئوكسىدلىنىش ھالىتىگە بولغان تەسىرىنى چۈشىنىش ئۈچۈن، تېمپېراتۇرا ئوچۇق توك يولى پوتېنسىيالى (+0.3 V vs RHE) دىن -1.5 V غىچە (RHE غا سېلىشتۇرغاندا) ئۆزگەرتىلگەن. كۆزىتىلگەندەك، Bi2O3 باسقۇچى RHE غا نىسبەتەن -0.85 V دا ئاجىزلىشىشقا باشلايدۇ، ھەمدە سپېكتىرنىڭ چېتىدىكى ئاق سىزىقنىڭ كۈچلۈكلۈكىنىڭ تۆۋەنلىشى مېتال Bi نىڭ RHE غا نىسبەتەن -1.1. V دا RHE نىڭ %90 گىچە ئاجىزلىغانلىقىنى كۆرسىتىدۇ (5d-رەسىم). مېخانىزم قانداق بولۇشىدىن قەتئىينەزەر، كاتود مورفولوگىيەسى، كاتالىزاتورنىڭ ئوكسىدلىنىش ھالىتى ۋە مىكروكرىستال قۇرۇلمىسىدا زور ئۆزگىرىشلەر بولسىمۇ، H2 ۋە CO FE ۋە فورمىك كىسلاتا شەكىللىنىشىدىن قارىغاندا، كاتودتىكى فورماتنىڭ ئومۇمىي تاللاشچانلىقى ئاساسەن ئۆزگەرمەيدۇ.
a كاتالىزاتور قەۋىتىنىڭ ئۈچ ئۆلچەملىك قۇرۇلمىسى ۋە نانو-X-ray CT ئارقىلىق قولغا كەلتۈرۈلگەن كاتالىزاتور زەررىچىلىرىنىڭ تارقىلىشى. كۆلەم بالداق: 10 µm. b ئۈستى 2: BOT ۋە EOT كاتالىزاتورلىرىنىڭ كاتود قەۋىتىنىڭ HAADF-STEM رەسىملىرى. كۆلەم بالداق: 1 µm. ئاستى 2: EOT كاتالىزاتورىنىڭ كاتود قەۋىتىنىڭ چوڭايتىلغان HADF-STEM ۋە EDX رەسىملىرى. كۆلەم بالداق: 100 nm. c BOT ۋە EOT كاتود ئەۋرىشكىلىرىنىڭ رېنتىگېن نۇرى دىفراكسىيەسى ئەندىزىلىرى. d 0.1 M KOH دىكى Bi2O3 ئېلېكترودىنىڭ پوتېنسىئالنىڭ فۇنكسىيەسى سۈپىتىدە (RHE غا سېلىشتۇرغاندا 0.8 V دىن -1.5 V غىچە).
فورمىك كىسلاتا ئوكسىدلىنىشىنى چەكلەش ئارقىلىق ئېنېرگىيە ئۈنۈمىنى ئاشۇرۇش ئۈچۈن قانداق پۇرسەتلەرنىڭ بارلىقىنى ئېنىق بېكىتىش ئۈچۈن، توك بېسىمىنىڭ يوقىلىشىنىڭ تۆھپىسىنى ئېنىقلاش ئۈچۈن H2 پايدىلىنىش ئېلېكترودى ئىشلىتىلدى39. توك زىچلىقى 500 mA/cm2 دىن تۆۋەن بولغاندا، كاتود پوتېنسىيالى -1.25 V دىن تۆۋەن ھالەتتە تۇرىدۇ. ئانود پوتېنسىيالى ئىككى ئاساسلىق قىسىمغا بۆلىنىدۇ: ئالماشتۇرۇش توك زىچلىقى HOR ۋە ئىلگىرى ئۆلچەنگەن بۇلتېر-ۋولمېر تەڭلىمىسىدە مۆلچەرلەنگەن نەزەرىيەۋى توك بېسىمى HOR 40، قالغان قىسمى ئوكسىدلىنىش فورمىك كىسلاتاسىدىن كېلىپ چىقىدۇ. HOR41 گە سېلىشتۇرغاندا رېئاكسىيە كىنېتىكىسى خېلى ئاستا بولغاچقا، ئانودتىكى فورمىك كىسلاتا ئوكسىدلىنىش رېئاكسىيەسىنىڭ سۈرئىتىنىڭ تۆۋەن بولۇشى ئانود پوتېنسىيالىنىڭ كۆرۈنەرلىك ئېشىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىشى مۇمكىن. نەتىجىلەر شۇنى كۆرسىتىپ بېرىدۇكى، فورمىك كىسلاتا ئانود ئوكسىدلىنىشىنى تولۇق چەكلەش ئارقىلىق 500 mV غا يېقىن توك بېسىمىنىڭ ئېشىپ كېتىشىنى يوقىتالايدۇ.
بۇ مۆلچەرنى سىناق قىلىش ئۈچۈن، ئانود كىرىش ئېغىزىدىكى ئىئونسىزلاندۇرۇلغان سۇنىڭ (DI) ئېقىش سۈرئىتى ئۆزگەرتىلىپ، ئېقىغان فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى تۆۋەنلىتىلدى. 6b ۋە c رەسىملىرىدە 200 mA/cm2 دە ئانودتىكى DI ئېقىشىنىڭ فۇنكسىيەسى سۈپىتىدە FE، فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى ۋە ھۈجەيرە توك بېسىمى كۆرسىتىلگەن. ئىئونسىزلاندۇرۇلغان سۇ ئېقىش سۈرئىتى 3.3 mL/min دىن 25 mL/min غىچە ئاشقاندا، ئانودتىكى فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى 0.27 mol/L دىن 0.08 mol/L غىچە تۆۋەنلىگەن. سېلىشتۇرۇش ئۈچۈن، Xia قاتارلىقلار تەرىپىدىن تەكلىپ قىلىنغان ساندۋىچ قۇرۇلمىسىنى ئىشلىتىپ، 200 mA/cm2 دە 1.8 mol/L فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقى قولغا كەلتۈرۈلدى. قويۇقلۇقنى تۆۋەنلىتىش فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئومۇمىي FE نى ياخشىلايدۇ ۋە فورمىك كىسلاتاسىنىڭ تەتۈر تارقىلىشىنىڭ تۆۋەنلىشى سەۋەبىدىن كاتود pH قىممىتىنىڭ ئىشقارلىقىنىڭ ئېشىشىغا ئەگىشىپ، H2 نىڭ FE نى تۆۋەنلىتىدۇ. ئەڭ چوڭ DI ئېقىمىدا فورمىك كىسلاتاسىنىڭ قويۇقلۇقىنىڭ تۆۋەنلىشى فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئوكسىدلىنىشىنى ئاساسەن يوقىتىپ، 200 mA/cm2 دا ئومۇمىي ھۈجەيرە توك بېسىمى 1.7 V دىن تۆۋەن بولغان. باتارېيە تېمپېراتۇرىسى ئومۇمىي ئىقتىدارغا تەسىر كۆرسىتىدۇ، نەتىجىلەر S10-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. قانداقلا بولمىسۇن، PCEM ئاساسلىق قۇرۇلمىلار فورمىك كىسلاتاسىغا قارىتا ھىدروگېن تاللاشچانلىقىنى ياخشىلىغان ئانود كاتالىزاتورلارنى ئىشلىتىش ياكى ئۈسكۈنە ئىشلىتىش ئارقىلىق فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئوكسىدلىنىشىنى توسۇشتا ئېنېرگىيە ئۈنۈمىنى كۆرۈنەرلىك دەرىجىدە ياخشىلىيالايدۇ.
a 60 سېلسىيە گرادۇستا ئىشلەيدىغان ھۈجەيرە پايدىلىنىش H2 ئېلېكترودى، Pt/C ئانود ۋە 80 µm AEM ئارقىلىق ھۈجەيرە توك بېسىمىنى ئايرىش. b ئانودلۇق دېئىئونلاشتۇرۇلغان سۇنىڭ ھەر خىل ئېقىم سۈرئىتى ئارقىلىق 200 mA/cm2 دە توپلانغان FE ۋە فورمىك كىسلاتا قويۇقلۇقى. c ئانود فورمىك كىسلاتانى ھەر خىل قويۇقلۇقتا توپلىغاندا، ھۈجەيرە توك بېسىمى 200 mA/cm2 بولىدۇ. خاتالىق بالداقلىرى ئۈچ خىل ئۆلچەشنىڭ ئۆلچەملىك ئۆزگىرىشىنى كۆرسىتىدۇ. d ھەر خىل دېئىئونلاشتۇرۇلغان سۇ ئېقىم سۈرئىتىدىكى ئىقتىدار بويىچە بۆلۈنگەن ئەڭ تۆۋەن سېتىش باھاسى، دۆلەت ئىچىدىكى ئوتتۇرىچە سانائەت توك باھاسى 0.068 ئامېرىكا دوللىرى/kWh ۋە 4.5 ئامېرىكا دوللىرى/kg ۋودورود. (*: ئانودتىكى فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئەڭ تۆۋەن ئوكسىدلىنىش دەرىجىسى 10 M FA، دۆلەت بويىچە ئوتتۇرىچە سانائەت توك باھاسى 0.068 دوللار/kWh، ھىدروگېننىڭ 4.5 دوللار/kg دەپ پەرەز قىلىنىدۇ. **: ئەڭ تۆۋەن ئوكسىدلىنىش دەرىجىسى فورمىك كىسلاتا دەپ پەرەز قىلىنىدۇ. ئانودتىكى FA نىڭ قويۇقلۇقى 1.3 M ئانود، كەلگۈسىدىكى توك باھاسى 0.03 دوللار/kWh، نۇقتا سىزىقى 85% FA بازار باھاسىنى كۆرسىتىدۇ.
5d-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك، ھەر خىل ئىشلىتىش شارائىتى ئاستىدا يېقىلغۇ قۇراشتۇرمىلىرىنىڭ ئەڭ تۆۋەن سېتىش باھاسىنى ئېلىش ئۈچۈن تېخنىكىلىق-ئىقتىسادىي ئانالىز (TEA) ئېلىپ بېرىلدى. TEA نىڭ ئۇسۇللىرى ۋە ئارقا كۆرۈنۈش سانلىق مەلۇماتلىرىنى SI دىن تاپقىلى بولىدۇ. ئانود چىقىرىش ئېغىزىدىكى LC قويۇقلۇقى يۇقىرى بولغاندا، ھۈجەيرە توك بېسىمى يۇقىرى بولسىمۇ، ئايرىش تەننەرخىنىڭ تۆۋەنلىشى سەۋەبىدىن يېقىلغۇ قۇراشتۇرمىسىنىڭ ئومۇمىي تەننەرخى تۆۋەنلەيدۇ. ئەگەر كاتالىزاتور تەرەققىياتى ياكى ئېلېكترود تېخنىكىسى ئارقىلىق فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئانود ئوكسىدلىنىشىنى ئەڭ تۆۋەن چەككە چۈشۈرگىلى بولسا، تۆۋەن ھۈجەيرە توك بېسىمى (1.66 V) ۋە ئېقىش سۇيۇقلۇقىدىكى FA قويۇقلۇقىنىڭ يۇقىرى بولۇشى (10 M) ئېلېكتروخىمىيەلىك FA ئىشلەپچىقىرىش تەننەرخىنى 0.74 ئامېرىكا دوللىرى/كىلوگرامغا (ئېلېكترغا ئاساسەن) تۆۋەنلىتىدۇ. باھاسى) 0.068 دوللار/كىلوۋات سائەت ۋە 4.5 دوللار/كىلوۋات ھىدروگېن42. ئۇنىڭدىن باشقا، كەلگۈسىدىكى قايتا ھاسىل بولىدىغان ئېلېكتر ئېنېرگىيەسىنىڭ 0.03 دوللار/كىلوۋات سائەت ۋە 2.3 دوللار/كىلوۋات ھىدروگېن تەننەرخى بىلەن بىرلەشتۈرۈلگەندە، FA چىقىندى سۈيى نىشانى 1 مىليون 300 مىڭغا تۆۋەنلىتىلىدۇ، نەتىجىدە ئاخىرقى مۆلچەرلەنگەن ئىشلەپچىقىرىش تەننەرخى 0.66 ئامېرىكا دوللىرى/كىلوۋات43 بولىدۇ. بۇنى ھازىرقى بازار باھاسى بىلەن سېلىشتۇرۇشقا بولىدۇ. شۇڭا، كەلگۈسىدىكى ئېلېكترود ماتېرىياللىرى ۋە قۇرۇلمىلىرىغا مەركەزلەشكەن تىرىشچانلىقلار ئانودلىنىشنى تېخىمۇ ئازايتىپ، تۆۋەنرەك باتارېيە توك بېسىمىدا ئىشلەش ئارقىلىق يۇقىرى LC قويۇقلۇقىنى ھاسىل قىلىشقا يول قويىدۇ.
خۇلاسە قىلىپ ئېيتقاندا، بىز CO2 نى فورمىك كىسلاتاسىغا قايتۇرۇش ئۈچۈن بىر قانچە نۆل بوشلۇقلۇق MEA قۇرۇلمىسىنى تەتقىق قىلدۇق ۋە ھاسىل بولغان فورمىك كىسلاتاسى ئۈچۈن پەردە ماسسا يۆتكىلىش يۈزىنى ئاسانلاشتۇرۇش ئۈچۈن تۆشۈكلۈك كاتىيون ئالماشتۇرۇش پەردىسى (PECM) نى ئۆز ئىچىگە ئالغان بىرىكمە ئالدىغا مايىل ئىككى قۇتۇپلۇق پەردىنى ئۆز ئىچىگە ئالغان قۇرۇلمىنى ئوتتۇرىغا قويدۇق. بۇ قۇرۇلما 0.25 M غىچە بولغان قويۇقلۇقتا (3.3 mL/min ئانود DI ئېقىم سۈرئىتىدە) >96% فورمىك كىسلاتا ھاسىل قىلىدۇ. يۇقىرى DI ئېقىم سۈرئىتىدە (25 mL/min)، بۇ قۇرۇلما 25 cm2 ھۈجەيرە كۆلىمىنى ئىشلىتىپ 1.7 V دا 200 mA/cm2 دىن >80% FE توك زىچلىقىنى تەمىنلىدى. ئوتتۇراھال ئانود DI سۈرئىتىدە (10 mL/min)، PECM قۇرۇلمىسى 200 mA/cm2 دا 55 سائەت سىناق قىلىش جەريانىدا مۇقىم توك بېسىمى ۋە يۇقىرى فورمىك كىسلاتا FE سەۋىيەسىنى ساقلىدى. بازاردا سېتىلىۋاتقان كاتالىزاتورلار ۋە پولىمېر پەردە ماتېرىياللىرى ئارقىلىق قولغا كەلتۈرۈلگەن يۇقىرى مۇقىملىق ۋە تاللاشچانلىقنى ئۇلارنى ئەلالاشتۇرۇلغان ئېلېكترو كاتالىزاتورلار بىلەن بىرلەشتۈرۈش ئارقىلىق تېخىمۇ ئاشۇرغىلى بولىدۇ. كېيىنكى خىزمەتلەر ئىشلەش شارائىتى، ئانود كاتالىزاتورىنىڭ تاللاشچانلىقى ۋە MEA قۇرۇلمىسىنى تەڭشەشكە مەركەزلىشىدۇ، بۇنىڭ بىلەن فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئوكسىدلىنىشىنى ئازايتىدۇ، بۇنىڭ نەتىجىسىدە تۆۋەن ھۈجەيرە توك بېسىمىدا تېخىمۇ قويۇق سۇ چىقىرىلىدۇ. بۇ يەردە كۆرسىتىلگەن فورمىك كىسلاتاسى ئۈچۈن كاربون تۆت ئوكسىدنى ئىشلىتىشنىڭ ئاددىي ئۇسۇلى ئانولىت ۋە كاتولىت كامېراسى، ساندۋىچ زاپچاسلىرى ۋە ئالاھىدە ماتېرىياللارغا بولغان ئېھتىياجنى يوقىتىدۇ، شۇنىڭ بىلەن ھۈجەيرە ئېنېرگىيە ئۈنۈمىنى ئاشۇرىدۇ ۋە سىستېما مۇرەككەپلىكىنى ئازايتىدۇ، بۇنىڭ بىلەن كېڭەيتىشنى ئاسانلاشتۇرىدۇ. تەكلىپ قىلىنغان سەپلىمىسى تېخنىكىلىق ۋە ئىقتىسادىي جەھەتتىن ئۈنۈملۈك CO2 ئۆزگەرتىش زاۋۇتلىرىنىڭ كەلگۈسى تەرەققىياتى ئۈچۈن سۇپا بىلەن تەمىنلەيدۇ.
باشقىچە بەلگىلىمە بولمىسا، بارلىق خىمىيىلىك دەرىجىلىك ماتېرىياللار ۋە ئېرىتكۈچىلەر تاپشۇرۇۋېلىنغان ھالىتى بويىچە ئىشلىتىلگەن. ۋىسمۇت ئوكسىد كاتالىزاتورى (Bi2O3, 80 nm) ئامېرىكا تەتقىقات نانوماتېرىياللىرى شىركىتىدىن سېتىۋېلىنغان. پولىمېر پاراشوكى (AP1-CNN8-00-X) IONOMR تەرىپىدىن تەمىنلەنگەن. Omnisolv® ماركىلىق N-پروپانول (nPA) ۋە ئۇلترا ساپ سۇ (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 سۇ تازىلاش سىستېمىسى) Millipore Sigma دىن سېتىۋېلىنغان. ACS گۇۋاھنامىسىگە ئېرىشكەن مېتانول ۋە ئاتسېتون ئايرىم-ئايرىم ھالدا VWR Chemicals BDH® ۋە Fisher Chemical دىن سېتىۋېلىنغان. پولىمېر پاراشوكى ئاتسېتون ۋە مېتانول ئارىلاشمىسى بىلەن 1:1 ئېغىرلىقى بويىچە ئارىلاشتۇرۇلۇپ، قويۇقلۇقى %6.5 بولغان پولىمېر تارقىلىشى ھاسىل قىلىنغان. 30 مىللىلىتىرلىق قاچىغا 20 گرام Bi2O3، ئۇلترا ساپ سۇ، nPA ۋە ئىئونومېر تارقىلىشىنى ئارىلاشتۇرۇپ كاتالىزاتورلۇق سىياھ تەييارلاڭ. تەركىبىدە 30% ئېغىرلىقتىكى كاتالىزاتور، ئىئونومېرنىڭ كاتالىزاتورغا بولغان ماسسا نىسبىتى 0.02 ۋە ئىسپىرتنىڭ سۇغا بولغان ماسسا نىسبىتى 2:3 (40% ئېغىرلىقتىكى nPA) بار ئىدى. ئارىلاشتۇرۇشتىن بۇرۇن، ئارىلاشمىغا 70 گرام Glen Mills 5mm زىركونىيە ئۇۋىلاش ماتېرىيالى قوشۇلدى. ئەۋرىشكىلەر Fisherbrand™ رەقەملىك بوتۇلكا رولىكىغا 80 ئايلىنىش سۈرئىتىدە 26 سائەت قويۇلدى. سىياھنى ئىشلىتىشتىن بۇرۇن 20 مىنۇت تۇرغۇزۇڭ. Bi2O3 سىياسى 22 سېلسىيە گرادۇستا 1/2″ x 16″ چوڭلۇقتىكى تەجرىبىخانا سىملىق قايتا تولدۇرۇش ئۈسكۈنىسى (RD Specialties – 60 mil دىئامېتىر) ئارقىلىق Qualtech ئاپتوماتىك قوللىنىش ئۈسكۈنىسىگە (QPI-AFA6800) سۈرتۈلدى. 7.5 x 8 دىيۇملۇق Sigraacet 39 BB كاربون گاز تارقىلىش توشۇغۇچىسىغا (يېقىلغۇ باتارېيەسى ساقلاش ئۈسكۈنىسى) 5 مىللىلىتىر كاتالىزاتور سىياسى 55 mm/sekund مۇقىم ئوتتۇرىچە سۈرئەت بىلەن تاياقچە چۆكتۈرۈش ئارقىلىق سۈرتۈلدى. بۇ قاپلانغان ئېلېكترودلارنى ئوچاققا يۆتكەپ، 80 سېلسىيە گرادۇستا قۇرۇتۇڭ. تاياقچە قاپلاش جەريانى ۋە GDE قاپلاش رەسىملىرى S4a ۋە b رەسىملىرىدە كۆرسىتىلدى. رېنتىگېن نۇرى فلۇئورېسسېنسىيەسى (XRF) ئەسۋابى (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) قاپلانغان GDE يۈكىنىڭ 3.0 مىللىگرام Bi2O3/cm2 ئىكەنلىكىنى جەزملەشتۈردى.
ئانيون ئالماشتۇرۇش پەردىسى (AEM) ۋە تۆشۈكلۈك CEM نى ئۆز ئىچىگە ئالغان بىرىكمە پەردە سەپلىمىلىرى ئۈچۈن، CEM قەۋىتى سۈپىتىدە 15 µm قېلىنلىقتىكى Nafion NC700 (Chemours, USA) ئىشلىتىلدى. ئانود كاتالىزاتورى 0.83 ئىئونومېر بىلەن كاربون نىسبىتى ۋە 25 cm2 قاپلاش دائىرىسى بىلەن FEM غا بىۋاسىتە پۈركۈلدى. 0.25 mg Pt/cm2 يۈكلەنگەن چوڭ يۈز كۆلىمى (50 wt.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA قىممەتلىك مېتال) تىرەكلىك پىلاتىنا ئانود كاتالىزاتورى سۈپىتىدە ئىشلىتىلدى. كاتالىزاتورنىڭ ئانود قەۋىتى ئۈچۈن ئىئونومېر سۈپىتىدە Nafion D2020 (Ion Power, USA) ئىشلىتىلدى. CEM تۆشۈكلىرى CEM پەردىسىدە پاراللېل سىزىقلارنى 3mm ئارىلىقتا كېسىش ئارقىلىق ئېلىپ بېرىلىدۇ. تۆشۈك جەريانىنىڭ تەپسىلاتلىرى S12b ۋە c رەسىملىرىدە كۆرسىتىلدى. رېنتىگېن كومپيۇتېرلىق توموگرافىيە ئارقىلىق، S12d ۋە e رەسىملىرىدە كۆرسىتىلگەندەك، تۆشۈك بوشلۇقىنىڭ 32.6 μm ئىكەنلىكى جەزملەشتۈرۈلدى. باتارېيە يىغىش جەريانىدا، كاتالىزاتور بىلەن قاپلانغان تۆشۈكلۈك CEM پەردىسى 25 cm2 Toray قەغىزىگە (5 wt% PTFE بىر تەرەپ قىلىنغان، يېقىلغۇ باتارېيەسى دۇكىنى، ئامېرىكا) قويۇلدى. قېلىنلىقى 25، 40 ياكى 80 μm بولغان AEM پەردىسى (PiperION، Versogen، ئامېرىكا) CEM نىڭ ئۈستىگە، ئاندىن GDE كاتودىغا قويۇلدى. AEM پەردىسى پۈتۈن ئېقىم مەيدانىنى قاپلاش ئۈچۈن 7.5 × 7.5 cm پارچىلارغا كېسىلدى ۋە يىغىشتىن بۇرۇن 1 M كالىي گىدروكسىد ئېرىتمىسىگە بىر كېچە چىلاندى. ئانود ۋە كاتودنىڭ ھەر ئىككىسىدە ئەڭ ياخشى GDE سىقىلىشىغا ئېرىشىش ئۈچۈن يېتەرلىك قېلىنلىقتىكى PTFE ئارىلىقلىرى ئىشلىتىلىدۇ. باتارېيە يىغىش جەريانىنىڭ تەپسىلاتلىرى S12a رەسىمدە كۆرسىتىلدى.
سىناق جەريانىدا، يىغىۋېلىنغان باتارېيە 60 سېلسىيە گرادۇستا (تېمپېراتۇرىغا باغلىق تەتقىقاتى ئۈچۈن 30، 60 ۋە 80 سېلسىيە گرادۇستا) ساقلىنىپ، ئانودقا 0.8 لىتىر/مىنۇت ھىدروگېن گازى ۋە كاتودقا 2 لىتىر/مىنۇت كاربون تۆت ئوكسىد بېرىلدى. ئانود ۋە كاتود ھاۋا ئېقىمىنىڭ ھەر ئىككىسى %100 نىسپىي نەملىك ۋە 259 kPa ئابسلوت كاتود بېسىمىدا نەملەندى. ئىشلىتىش جەريانىدا، كاتود گاز ئېقىمى كاتود كاتالىزاتور قەۋىتىنىڭ ئىشلىتىلىشى ۋە ئىئون ئۆتكۈزۈشچانلىقىنى ئىلگىرى سۈرۈش ئۈچۈن 2 مىللىلىتىر/مىنۇت سۈرئىتىدە 1 M KOH ئېرىتمىسى بىلەن ئارىلاشتۇرۇلدى. ئانودتىكى فورمىك كىسلاتانى چىقىرىۋېتىش ئۈچۈن، ئانود گاز ئېقىمىنى 10 مىللىلىتىر/مىنۇت سۈرئىتىدە ئىئونسىزلاندۇرۇلغان سۇ بىلەن ئارىلاشتۇرۇڭ. ئۈسكۈنە كىرىش ۋە چىقىش ئۇچۇرلىرى S5-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. كاتودنىڭ چىقىرىش گازىدا CO2 بار بولۇپ، CO ۋە H2 ھاسىل قىلىدۇ. سۇ پارى كوندېنساتور (2 سېلسىيە گرادۇستا تۆۋەن تېمپېراتۇرىلىق ئىسسىقلىق ئالماشتۇرغۇچ) ئارقىلىق چىقىرىۋېتىلىدۇ. قالغان گاز گاز ۋاقتىنى تەھلىل قىلىش ئۈچۈن توپلىنىدۇ. ئانود ئېقىمى سۇيۇقلۇقنى گازدىن ئايرىش ئۈچۈن كوندېنساتوردىن ئۆتىدۇ. چىقىندى سۇ پاكىز بوتۇلكىلارغا يىغىلىپ، ھاسىل بولغان فورمىك كىسلاتاسىنىڭ مىقدارىنى ئۆلچەش ئۈچۈن سۇيۇقلۇق ۋاقىت ئۆلچەش ئۇسۇلى ئارقىلىق تەھلىل قىلىنىدۇ. ئېلېكتروخىمىيىلىك سىناق گارمى پوتېنسىئوستاتى (پايدىلىنىش نومۇرى 30K، گامرى، ئامېرىكا) ئارقىلىق ئېلىپ بېرىلدى. قۇتۇپلىشىش ئەگرى سىزىقىنى ئۆلچەشتىن بۇرۇن، ھۈجەيرە 0 دىن 250 mA/cm2 گىچە بولغان دائىرىدە 4 قېتىم تەڭشىلىنىپ، سىكانىرلاش سۈرئىتى 2.5 mA/cm2 بولغان سىزىقلىق ۋولتاممېتىرىيە ئارقىلىق تەكشۈرۈلدى. قۇتۇپلىشىش ئەگرى سىزىقلىرى گالۋانوستاتىك ھالەتتە قولغا كەلتۈرۈلدى، ھۈجەيرە بەلگىلىك توك زىچلىقىدا 4 مىنۇت تۇتۇپ، كاتود گازى ۋە ئانولىت سۇيۇقلۇقىدىن ئەۋرىشكە ئېلىندى.
بىز MEA دىكى ھىدروگېن پايدىلىنىش ئېلېكترودىنى ئىشلىتىپ كاتود ۋە ئانود پوتېنسىياللىرىنى ئايرىيمىز. پايدىلىنىش ئېلېكترودىنىڭ قۇرۇلمىسى S6a-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. MEA پەردىسى بىلەن پايدىلىنىش ئېلېكترودىنى تۇتاشتۇرۇش ئۈچۈن ئىئون كۆۋرۈكى سۈپىتىدە Nafion پەردىسى (Nafion 211, IonPower, ئامېرىكا) ئىشلىتىلدى. Nafion لېنتىسىنىڭ بىر ئۇچى 29BC كاربون قەغىزىگە پۈركۈلگەن 0.25 مىللىگرام Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA قىممەتلىك مېتاللار) قاچىلانغان 1 cm2 گاز تارقىلىش ئېلېكترودى (GDE) غا ئۇلاندى (يېقىلغۇ باتارېيەسى دۇكىنى، ئامېرىكا). GDE بىلەن Nafion لېنتىلىرىنىڭ گازنى پېچەتلەش ۋە ياخشى تېگىشىشىگە كاپالەتلىك قىلىش، شۇنداقلا پايدىلىنىش ئېلېكترودىنى يېقىلغۇ باتارېيەسى ئۈسكۈنىلىرىگە ئۇلاش ئۈچۈن ئالاھىدە پولىئېتېرېتېركېتون (PEEK) ئۈسكۈنىلىرى ئىشلىتىلىدۇ. Nafion لېنتىسىنىڭ يەنە بىر ئۇچى CEM باتارېيەسىنىڭ چىقىپ تۇرغان گىرۋىكىگە ئۇلىنىدۇ. S6b-رەسىمدە MEA بىلەن بىرلەشتۈرۈلگەن پايدىلىنىش ئېلېكترودىنىڭ كېسىشمە يۈزى كۆرسىتىلدى.
گاز چىقىرىش ئېغىزى كوندېنساتور ۋە گاز-سۇيۇقلۇق ئايرىغۇچتىن ئۆتكەندىن كېيىن، كاتودتىن گاز ئەۋرىشكىلىرى ئېلىنىدۇ. توپلانغان گاز 4900 مىكرو GC (10 μm مولېكۇلا ئېلەك، Agilent) ئارقىلىق كەم دېگەندە ئۈچ قېتىم تەھلىل قىلىندى. ئەۋرىشكىلەر بەلگىلەنگەن ۋاقىت (30 سېكۇنت) ئىچىدە ئىنېرت كۆپ قەۋەتلىك ئاليۇمىن يوپۇرماقلىق گاز ئەۋرىشكىسى خالتىسى Supel™ (Sigma-Aldrich) غا يىغىلدى ۋە يىغىۋېلىنغاندىن كېيىنكى ئىككى سائەت ئىچىدە قولدا مىكرو گاز خروماتوگرافىغا كىرگۈزۈلدى. ئوكۇل قىلىش تېمپېراتۇرىسى 110°C غا تەڭشەلدى. كاربون ئوكسىد (CO) ۋە ھىدروگېن (H2) ئارگون (Matheson Gas-Matheson Purity) توشۇغۇچى گاز سۈپىتىدە ئىشلىتىلىپ، قىزىتىلغان (105°C) بېسىملىق (28 psi) 10 مېتىرلىق MS5A ئىستونىدا ئايرىلدى. بۇ ئۇلىنىشلار ئىچكى ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقىنى تەكشۈرگۈچ (TCD) ئارقىلىق بايقىلىدۇ. GC خروماتوگراممىلىرى ۋە CO ۋە H2 كالىبراتسىيە ئەگرى سىزىقلىرى S7-رەسىمدە كۆرسىتىلدى. سۇيۇق فورمىك كىسلاتا ئەۋرىشكىلىرى بەلگىلەنگەن ۋاقىت (120 سېكۇنت) ئىچىدە ئانودتىن يىغىۋېلىندى ۋە 0.22 μm PTFE ئوكۇلى سۈزگۈچ ئارقىلىق 2 mL بوتۇلكىغا سۈزۈلدى. بوتۇلكىدىكى سۇيۇق مەھسۇلاتلار Agilent 1260 Infinity II بىئوئىنېرت يۇقىرى ئىقتىدارلىق سۇيۇقلۇق خروماتوگرافىيەسى (HPLC) سىستېمىسى ئارقىلىق تەھلىل قىلىندى، بۇ سىستېمىغا 20 μl ئەۋرىشكە 4 mM سۇلفات كىسلاتاسى (H2SO4) نىڭ ھەرىكەتچان باسقۇچىغا ئىگە ئاپتوماتىك ئۈلگە ئېلىش ئۈسكۈنىسى (G5668A) ئارقىلىق 0.6 ml/min ئېقىم سۈرئىتىدە (تۆتىنچى پومپا G5654A) قۇيۇلدى. مەھسۇلاتلار قىزىتىلغان (35°C، تۈۋرۈكلۈك ئوچاق G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7.8 mm (Bio-Rad) دا Micro-Guard Cation H قوغداش تۈۋرۈكى بىلەن ئايرىلدى. فورمىك كىسلاتاسى دىئود قاتار دېتېكتورى (DAD) ئارقىلىق بايقالدى. دولقۇن ئۇزۇنلۇقى 210 nm ۋە بەلباغ كەڭلىكى 4 nm. HPL خروماتوگراممىسى ۋە فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ئۆلچەملىك كالىبراتسىيە ئەگرى سىزىقى S7-رەسىمدە كۆرسىتىلدى.
گاز مەھسۇلاتلىرى (CO ۋە H2) FE تۆۋەندىكى تەڭلىمە ئارقىلىق ھېسابلىنىدۇ، گازنىڭ ئومۇمىي مول مىقدارى بولسا ئىدىئال گاز تەڭلىمىسىنى ئىشلىتىپ ھېسابلىنىدۇ:
بۇلارنىڭ ئىچىدە: \({n}_{i}\): ئېلېكتروخىمىيىلىك رېئاكسىيەدىكى ئېلېكترون سانى. \(F\): فارادېي تۇراقلىقى. \({C}_{i}\): HPLC سۇيۇق مەھسۇلات قويۇقلۇقى. \(V\): بەلگىلەنگەن ۋاقىت ئىچىدە توپلانغان سۇيۇق ئەۋرىشكىنىڭ ھەجىمى. \(j\): توك زىچلىقى. \(A\): ئېلېكترودنىڭ گېئومېتىرىيەلىك كۆلىمى (25 cm2). \(t\): ئەۋرىشكە ئېلىش ۋاقتى. \(P\): ئابسولۇت بېسىم. \({x}_{i}\): GC ئارقىلىق بەلگىلىنىدىغان گازنىڭ مول پىرسەنتى. \(R\): گاز تۇراقلىقى. \(T\): تېمپېراتۇرا.
ئانود كاتىئونلىرىنىڭ قويۇقلۇقى ئىندۇكسىيەلىك باغلىنىشلىق پلازما ئاتوم قويۇپ بېرىش سپېكتروسكوپىيىسى (ICP-OES) ئارقىلىق مىقدارلاشتۇرۇلدى. ئانودقا سىڭىپ كىرىشى ياكى تارقىلىشى مۇمكىن بولغان كاتىئونلار Ti، Pt، Bi ۋە K نى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ. K دىن باشقا، باشقا بارلىق كاتىئونلار بايقاش چېكىدىن تۆۋەن ئىدى. ئېرىتمىدە ئىئون ھاسىل قىلىپ، ئانودنى قويۇپ بېرىپ پروتون ياكى باشقا كاتىئونلار بىلەن جۈپلىشىدۇ. شۇڭا، فورمىك كىسلاتاسىنىڭ ساپلىقىنى تۆۋەندىكىدەك ھېسابلاشقا بولىدۇ
فورمات/FA ئىشلەپچىقىرىش مىقدارى مەلۇم بىر MEA سەپلىمىسى ئارقىلىق ئىستېمال قىلىنغان ھەر كىلوۋات سائەت توكقا FA ئىشلەپچىقىرىلغان مىقدارىنى كۆرسىتىدۇ، مول/كىلوۋات سائەت. ئۇ بەلگىلىك ئىشلىتىش شارائىتىدىكى توك زىچلىقى، باتارېيە توك بېسىمى ۋە فارادېي ئۈنۈمىگە ئاساسەن ھېسابلىنىدۇ.
ئومۇمىي ماسسا تەڭپۇڭلۇقىغا ئاساسەن ئانودتا ئوكسىدلانغان فورمىك كىسلاتاسىنىڭ مىقدارىنى ھېسابلاڭ. كاتودتا ئۈچ رىقابەتلىشىدىغان رېئاكسىيە يۈز بېرىدۇ: ھىدروگېننىڭ ئايرىلىشى، CO2 نىڭ CO غا قايتۇرۇلۇشى ۋە CO2 نىڭ فورمىك كىسلاتاغا قايتۇرۇلۇشى. ئانتوندا فورمىك كىسلاتا ئوكسىدلىنىش جەريانى بولغاچقا، فورمىك كىسلاتا FE نى ئىككى قىسىمغا بۆلۈشكە بولىدۇ: فورمىك كىسلاتا توپلىنىشى ۋە فورمىك كىسلاتا ئوكسىدلىنىشى. ئومۇمىي ماسسا تەڭپۇڭلۇقىنى تۆۋەندىكىدەك يېزىشقا بولىدۇ:
بىز HPLC ئارقىلىق توپلانغان فورمىك كىسلاتا، ھىدروگېن ۋە CO نىڭ مىقدارىنى مىقدارلاشتۇرۇش ئۈچۈن GC ئىشلەتتۇق. شۇنىڭغا دىققەت قىلىش كېرەككى، فورمىك كىسلاتانىڭ كۆپ قىسمى قوشۇمچە رەسىم S5 دا كۆرسىتىلگەن قۇرۇلما ئارقىلىق ئانودتىن توپلانغان. كاتود كامېراسىدىن توپلانغان فورمىكنىڭ مىقدارى ئانچە چوڭ ئەمەس، تەخمىنەن ئىككى دەرىجە كىچىك، ھەمدە SC نىڭ ئومۇمىي مىقدارىنىڭ %0.5 تىنمۇ ئاز.
بۇ يەردە ئىشلىتىلگەن ئۈزلۈكسىز توشۇش مودېلى ئوخشاش سىستېمىلار ئۈستىدە ئىلگىرى ئىشلەنگەن تەتقىقاتلارغا ئاساسلانغان34. ئېلېكترونلۇق ۋە ئىئونلۇق ئۆتكۈزۈش باسقۇچلىرىدىكى سۇ قويۇقلۇقى ۋە ئېلېكتروستاتىك پوتېنسىيالنى بەلگىلەش ئۈچۈن پوئىسسون-نېرست-پلانك (PNP) تەڭلىمىلىرىنىڭ بىرلەشتۈرۈلگەن سىستېمىسى ئىشلىتىلىدۇ. ئاساسىي تەڭلىمىلەر ۋە مودېل گېئومېتىرىيەسىنىڭ تەپسىلىي ئومۇمىي ئەھۋالى SI دا بېرىلگەن.
بۇ سىستېما سەككىز سۇلۇق ماددىنىڭ قويۇقلۇقىنى بەلگىلەيدۇ (\({{{{{{\rm{C}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2 \left ({{{{{\rm{aq}}}}}}\right)}\), \({{{{{\rm{H}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{\rm{O}}}}}}{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{ {{{ \rm{ HCO}}}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{\rm{HCOOH}}}}}}}\), \({{{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}^{- }\) ۋە \({{{ {{\rm{K}}}}}}^{+}\))، ئىئون ئۆتكۈزۈش باسقۇچىدىكى ئېلېكتروستاتىك پوتېنسىيال (\({\phi }_{I}\ )) ۋە ئانود ۋە كاتود ئېلېكترون ئۆتكۈزۈشچانلىقى. باسقۇچلاردىكى ئېلېكتروستاتىك پوتېنسىياللار (\({\phi }_{A}\) ۋە \({\phi }_{C}\) ئايرىم-ئايرىم ھالدا). ئەكسىچە، يەرلىك ئېلېكتر بىتەرەپلىكى ۋە زەرەت تەقسىملەش فۇنكسىيەلىرى ئەمەلگە ئاشمايدۇ، بوشلۇق زەرەت رايونى پوئىسسون تەڭلىمىسىنى ئىشلىتىپ بىۋاسىتە ھەل قىلىنىدۇ؛ بۇ ئۇسۇل بىزگە CEM|AEM، CEM|Pore ۋە AEM|Pore چېگرىسىدىكى دونناننىڭ ئىتتىرىش ئۈنۈمىنى بىۋاسىتە مودېللاشتۇرۇشقا يول قويىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا، كاتالىزاتورنىڭ ئانود ۋە كاتود قەۋەتلىرىدىكى زەرەت توشۇشنى تەسۋىرلەش ئۈچۈن تۆشۈكلۈك ئېلېكترود نەزەرىيىسى (PET) ئىشلىتىلىدۇ. ئاپتورلارنىڭ بىلىشىچە، بۇ ئەسەر PET نىڭ كۆپ بوشلۇق زەرەت رايونلىرى بار سىستېمىلاردا تۇنجى قېتىم قوللىنىلىشىنى كۆرسىتىدۇ.
GDE BOT ۋە EOT كاتود ئەۋرىشكىلىرى 8.0 keV رېنتىگېن نۇرى مەنبەسى، يۇتۇش ۋە كەڭ مەيدان ھالىتى ۋە رەسىم بىرىكتۈرۈش1 قاتارلىق Zeiss Xradia 800 Ultra ئارقىلىق سىناق قىلىندى. 901 رەسىم -90° دىن 90° غىچە بولغان ئارىلىقتا 50 سېكۇنتلۇق ئاشكارلىنىش ۋاقتى بىلەن توپلاندى. قايتا قۇرۇش 64 nm چوڭلۇقتىكى ۋوكسېلغا ئىگە ئارقا پرويېكسىيە فىلتىرى ئارقىلىق ئېلىپ بېرىلدى. بۆلەكلەش ۋە زەررىچە چوڭلۇقىنىڭ تارقىلىشىنى تەھلىل قىلىش ئالاھىدە يېزىلغان كود ئارقىلىق ئېلىپ بېرىلدى.
ئېلېكترون مىكروسكوپ خاراكتېرىنى ئېنىقلاش سىناق قىلىنغان MEA لارنى ئېپوكسى رېشىنكىسىغا كىرگۈزۈپ، ئالماس پىچاق بىلەن ئىنتايىن نېپىز كېسىشكە تەييارلاشنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ. ھەر بىر MEA نىڭ كېسىشمە يۈزى 50 دىن 75 نانومېتىرغىچە قېلىنلىقتا كېسىلدى. سىكانېرلاش ئېلېكترون مىكروسكوپى (STEM) ۋە ئېنېرگىيە تارقاقلاشتۇرغۇچى رېنتىگېن نۇرى سپېكتروسكوپىيىسى (EDS) ئۆلچەشتە Talos F200X ئېلېكترون مىكروسكوپى (Thermo Fisher Scientific) ئىشلىتىلدى. بۇ مىكروسكوپ 4 دېرىزىسى يوق SDD دېتېكتورى بار EDS Super-X سىستېمىسى بىلەن تەمىنلەنگەن بولۇپ، 200 كىلوۋولتلۇق توكتا ئىشلەيدۇ.
پاراشوك رېنتىگېن نۇرى دىفراكسىيەسى ئەندىزىلىرى (PXRD) 40 kV ۋە 40 mA دا ئىشلەيدىغان Ni-سۈزگۈچلۈك Cu Kα رادىئاتسىيەسى بىلەن تەمىنلەنگەن Bruker Advance D8 پاراشوك رېنتىگېن نۇرى دىفراكتومېتىرىدا قولغا كەلتۈرۈلدى. سىكانىرلاش دائىرىسى 10° دىن 60° غىچە، قەدەم چوڭلۇقى 0.005°، سانلىق مەلۇمات ئېلىش سۈرئىتى ھەر قەدەمدە 1 سېكۇنت.
Bi2O3 Bi L3 كاتالىزاتورىنىڭ چېتىدىكى RAS سپېكتىرى ئۆيدە ياسالغان ھۈجەيرە ئارقىلىق پوتېنسىيالنىڭ فۇنكسىيەسى سۈپىتىدە ئۆلچەندى. Bi2O3 كاتالىزاتور ئىئونومېر سىياھى 26.1 مىللىگرام Bi2O3 نى 156.3 μL ئىئونومېر ئېرىتمىسى (%6.68) بىلەن ئارىلاشتۇرۇپ تەييارلاندى ۋە 1 M KOH، سۇ (157 μL) ۋە ئىزوپروپىل ئىسپىرتى (104 μL) بىلەن نېيتراللاشتۇرۇلۇپ، ئىئونومېر سىياسى ئېلىندى. كاتالىزاتور كوئېففىتسېنتى 0.4. سىيا گرافېن قەغەزلىرىگە تىك تۆت بۇلۇڭلۇق نۇقتىلاردا (10 × 4 mm) Bi2O3 كاتالىزاتور يۈكى 0.5 mg/cm2 غا يەتكۈچە سۈرۈلدى. گرافېن قەغىزىنىڭ قالغان قىسمى بۇ رايونلارنى ئېلېكترولىتتىن ئايرىش ئۈچۈن Kapton بىلەن قاپلاندى. كاتالىزاتور بىلەن قاپلانغان گرافېن قەغىزى ئىككى PTFE نىڭ ئارىسىغا كىرگۈزۈلۈپ، ۋىنتلار بىلەن ھۈجەيرە گەۋدىسىگە (PEEK) مۇقىملاشتۇرۇلدى، S8-رەسىم. Hg/HgO (1 M NaOH) پايدىلىنىش ئېلېكترودى، كاربون قەغەز بولسا قارشى ئېلېكترود رولىنى ئوينىدى. Hg/HgO پايدىلىنىش ئېلېكترودى 0.1 M KOH غا چىلانغان پىلاتىنا سىم ئارقىلىق كالىبراتسىيە قىلىنىپ، ئۆلچەنگەن بارلىق پوتېنسىياللارنى قايتىلىنىدىغان ۋودورود ئېلېكترودى (RHE) ئۆلچىمىگە ئايلاندۇرۇلدى. XRD سپېكترى 0.1 M KOH غا چىلانغان Bi2O3/گرافېن قەغىزى ئىشلەيدىغان ئېلېكترودنىڭ پوتېنسىيالىنى كۆزىتىش ئارقىلىق قولغا كەلتۈرۈلدى، ئۇ 30 سېلسىيە گرادۇسقا قىزىتىلدى. ئېلېكترولىت باتارېيەدە ئايلىنىدۇ، ئېلېكترولىت كىرىش ئېغىزى باتارېيەنىڭ ئاستى تەرىپىدە، چىقىش ئېغىزى ئۈستى تەرىپىدە بولۇپ، كۆپۈكچە شەكىللەنگەندە ئېلېكترولىتنىڭ كاتالىزاتور قەۋىتى بىلەن تېگىشىگە كاپالەتلىك قىلىنىدۇ. ئىشلەيدىغان ئېلېكترولت پوتېنسىيالىنى كونترول قىلىش ئۈچۈن CH Instruments 760e پوتېنسىئوستات ئىشلىتىلدى. پوتېنسىيال تەرتىپى ئوچۇق توك يولى پوتېنسىيالى ئىدى: RHE غا ئاساسەن -100، -200، -300، -400، -500، -800، -850، -900، -1000، -1100، -1500 ۋە +700 mV. بارلىق iR پوتېنسىياللىرى تەڭشەلدى.
Bi L3 گىرۋىكى (Bi مېتال ئۈچۈن ~13424 eV) X نۇرى يۇتۇش ئىنچىكە قۇرۇلمىسى (XAFS) سپېكتروسكوپىيەسى Argonne دۆلەتلىك فلۇئورېسسېنسىيە تەجرىبىخانىسىنىڭ 10-ID قانىلى، ئىلغار فوتون مەنبەسى (APS) دا ئېلىپ بېرىلدى. دۆلەتلىك مودېل ئۆلچەش تەجرىبىخانىسى. سۇيۇق ئازوت بىلەن سوۋۇتۇلغان ئىككى كرىستاللىق Si(111) مونوخروماتور X نۇرى ئېنېرگىيەسىنى تەڭشەش ئۈچۈن ئىشلىتىلدى، رودىي بىلەن قاپلانغان ئەينەك گارمونىك مەزمۇننى ئاجىزلاشتۇرۇش ئۈچۈن ئىشلىتىلدى. سىكانىرلاش ئېنېرگىيەسى 13200 دىن 14400 eV غىچە ئۆزگەردى، فلۇئورېسسېنسىيە فىلتىر ياكى Soller يېرىقلىرى بولمىغان 5 × 5 كرېمنىي PIN دىئود قاتارى ئارقىلىق ئۆلچەندى. ئىككىنچى ھاسىلاتنىڭ نۆل كېسىشمە ئېنېرگىيەسى Pt يوپۇقىنىڭ L2 گىرۋىكى ئارقىلىق 13271.90 eV دا كالىبرلىنىدۇ. ئېلېكتروخىمىيەلىك ھۈجەيرىنىڭ قېلىنلىقى سەۋەبىدىن، پايدىلىنىش ئۆلچىمىنىڭ سپېكترىنى بىرلا ۋاقىتتا ئۆلچەش مۇمكىن بولمىدى. شۇڭا، سىناق جەريانىدا قايتا-قايتا ئۆلچەش ئاساسىدا، چۈشكەن رېنتىگېن نۇرى ئېنېرگىيەسىنىڭ ھېسابلىغان سىكانىرلاش ئۆزگىرىشى ±0.015 eV بولىدۇ. Bi2O3 قەۋىتىنىڭ قېلىنلىقى مەلۇم دەرىجىدە فلۇئورېسسېنسىيەنىڭ ئۆزلۈكىدىن سۈمۈرۈلۈشىگە ئېلىپ كېلىدۇ؛ ئېلېكترودلار چۈشكەن نۇر ۋە دېتېكتورغا نىسبەتەن مۇقىم يۆنىلىشنى ساقلايدۇ، بۇنىڭ بىلەن بارلىق سىكانىرلاش ئاساسەن ئوخشاش بولىدۇ. يېقىن مەيدان XAFS سپېكتىرى Athena يۇمشاق دېتالىنىڭ سىزىقلىق بىرىكمە ماسلاشتۇرۇش ئالگورىزىمى (0.9.26 نەشرى) ئارقىلىق Bi ۋە Bi2O3 ئۆلچىمىنىڭ XANES رايونى بىلەن سېلىشتۇرۇش ئارقىلىق ۋىسمۇتنىڭ ئوكسىدلىنىش ھالىتى ۋە خىمىيىلىك شەكلىنى بېكىتىشتە ئىشلىتىلدى. IFEFFIT 44 كودى ئارقىلىق.
بۇ ماقالىدىكى سانلىق مەلۇماتلارنى قوللايدىغان سانلىق مەلۇماتلار ۋە بۇ تەتقىقاتنىڭ باشقا خۇلاسىلىرى مۇۋاپىق تەلەپ بويىچە مۇناسىۋەتلىك ئاپتوردىن ئېرىشكىلى بولىدۇ.
كراندال BS، برىكىس T.، ۋېبېر RS ۋە جياۋ F. يېشىل تاراتقۇ تەمىنلەش زەنجىرىنىڭ تېخنىكىلىق-ئىقتىسادىي باھالىشى H2. ئېنېرگىيە يېقىلغۇلىرى 37، 1441–1450 (2023).
يۇناس م، رېزاكازېمى م، ئارباب MS، شاھ ج ۋە رېھمان ۋ. يېشىل ۋودورود ساقلاش ۋە يەتكۈزۈش: يۇقىرى ئاكتىپلىق بىر خىل ۋە ھەر خىل كاتالىزاتورلار ئارقىلىق فورمىك كىسلاتاسىنى دېھىدروگېنلاشتۇرۇش. خەلقئارالىشىش. ج. گىدروگ. ئېنېرگىيە 47، 11694–11724 (2022).
Nie, R. قاتارلىقلار. ھېتېروگېن ئۆتكۈنچى مېتال كاتالىزاتورلىرى ئارقىلىق فورمىك كىسلاتاسىنىڭ كاتالىزاتورلۇق يۆتكىلىش ھىدروگېنلىشىشىدىكى يېقىنقى ئىلگىرىلەشلەر. AKS كاتالوگى. 11، 1071–1095 (2021).
راھىمى، A.، ئۇلبىرىچ، A.، كۇھن، JJ، ۋە ستاھل، SS فورمىك كىسلاتاسى ئوكسىدلانغان لىگنىننىڭ خۇشپۇراق بىرىكمىلەرگە ئايلىنىشىنى كەلتۈرۈپ چىقارغان دېپولىمېرلىشىش. تەبىئەت 515، 249–252 (2014).
Schuler E. قاتارلىقلار. فورمىك كىسلاتاسى CO2 نى ئىشلىتىشتە مۇھىم ئارىلىق مەھسۇلات رولىنى ئوينايدۇ. يېشىل. خىمىيىلىك. 24، 8227–8258 (2022).
جوۋ، خ. قاتارلىقلار. كاربون سۇ بىرىكمىسى ۋە لىگنىن مىقدارىنى ئومۇميۈزلۈك ئاشۇرۇش ئۈچۈن ئېقىن ئارقىلىق ئۆتىدىغان فورمىك كىسلاتاسى ئارقىلىق بىئوماسسانى تېز سۈرئەتتە بۇزمايدىغان پارچىلاش (≤15 مىنۇت). خىمىيە ۋە خىمىيە 12، 1213–1221 (2019).
كالۋى، CH قاتارلىقلار. ماسلىشىشچان تەجرىبىخانا تەرەققىيات ئۇچۇر قۇرۇلۇشى ئارقىلىق Cupriavidus necator H16 نىڭ فورماتتا ئۆسۈشىنى كۈچەيتىش. مېتابولىتلار. ئىنژېنېر. 75، 78–90 (2023).
ئىشاي، ئو. ۋە لىندنېر، س.ن. گونزالېز دې لا كرۇز، ج.، تېنېنبويىم، خ. ۋە بار-ئېۋېن، ئا. فورماتلارنىڭ بىئو-ئىقتىسادى. نۆۋەتتىكى. پىكىر. خىمىيىلىك. بىئولوگىيە. 35، 1–9 (2016).