世界上有些地方在生产廉价可再生电力方面非常成功，以至于我们有时会拥有过多的电力。这种低成本能源的一个可能用途是：使用一种称为膜电极组件的装置将二氧化碳转化为燃料和其他产品。
劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)和加州大学伯克利分校的科学家团队开发了一种新方法，通过物理建模来理解这项有前途的技术。这篇发表在《自然化学工程》杂志上的论文可以帮助科学家了解如何提高膜电极组装效率。
二氧化碳可以转化为有价值的原料，例如一氧化碳和乙烯，制造商利用这些原料制造化学品和包装等产品。其中一种方法是使用膜电极组件，这种装置由两个电极组成，电极之间用膜隔开。
膜电极组件也用于将氢等输入转化为电能的燃料电池，有望利用剩余的可再生能源来运行将二氧化碳催化成其他化学物质的反应序列。但这些设备存在效率问题，其工作原理尚未完全了解。
“膜电极组件是具有多层的复杂系统。每层都含有不同的化学物质、添加剂和颗粒，”伯克利实验室高级科学家兼研究通讯作者亚当韦伯说。
“通常，我们真的不知道为什么膜电极组件实验会产生某些产物，或者为什么它们无法转化一定量的二氧化碳的更大百分比。”
计算机建模可以帮助预测哪些设备参数将产生最佳结果，但它们在预测诸如交叉等问题时往往不太准确，交叉是指二氧化碳穿过膜而不是发生反应。为了提高模型的准确性，研究人员转向了Marcus–Hush–Chidsey动力学，这一理论以前从未被整合到膜电极组装模型中，并且已被证明对于理解反应机制至关重要。
研究人员根据实验数据验证了他们的模型，发现该模型比以前的模型更能预测现实世界的结果。除其他优势外，使用Marcus–Hush–Chidsey动力学可以解释水取向的作用。
随后，该团队利用该模型进行了虚拟实验，以探索不同的膜电极组件设计在二氧化碳利用率和所需产品选择性方面的表现。“通过这项工作，我们展示了如何利用化学工程原理来实现这些即将上线的先进技术，”他说。“这为我们提供了优化这些电池设计和材料的见解和想法，以便我们能够继续制造它们。”
该团队虚拟测试的一些变量包括催化剂层厚度和催化剂比表面积。他们还发现了围绕耦合离子和水传输重要性的设计规则，以及传输现象与反应和缓冲动力学之间的权衡。所有这些都改变了整体能源效率、获得的产品和转化的二氧化碳量。
“拥有系统的数字孪生可以让你比实验更快地探测更大的参数空间，因为实验通常很复杂，需要特殊的设备，”韦伯说，并补充道，“我们无法看到实验中每个分子的位置。但在模型中，我们可以。”
韦伯表示，研究的下一步是增加模型的复杂性，以便能够观察膜电极组件的整个使用寿命内的性能以及其他变量。