حلول أفضل لصنع الهيدروجين قد تكون موجودة على السطح مباشرة

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

الصفحة الرئيسية > صحافة > الحلول الأفضل لصنع الهيدروجين قد تكون موجودة على السطح فقط

إن التفاعلات الفريدة بين أكسيد البيروفسكايت وطبقته السطحية المتغيرة وأنواع الحديد التي تنشط في الموارد التعليمية المفتوحة تمهد طريقًا جديدًا لتصميم مواد نشطة ومستقرة، مما يقربنا خطوة واحدة من إنتاج الهيدروجين الأخضر بكفاءة وبأسعار معقولة. الائتمان مختبر أرجون الوطني

المستخلص:
يعتمد مستقبل الطاقة النظيفة المدفوعة بوقود الهيدروجين على معرفة كيفية تقسيم المياه بشكل موثوق وفعال. وذلك لأنه على الرغم من وفرة الهيدروجين، إلا أنه يجب أن يُشتق من مادة أخرى تحتوي عليه، وهذه المادة غالبًا ما تكون غاز الميثان اليوم. ويبحث العلماء عن طرق لعزل هذا العنصر الحامل للطاقة دون استخدام الوقود الأحفوري. وهذا من شأنه أن يمهد الطريق للسيارات التي تعمل بوقود الهيدروجين، على سبيل المثال، والتي ينبعث منها الماء والهواء الدافئ فقط عند أنبوب العادم.

قد تكمن الحلول الأفضل لصنع الهيدروجين فقط على السطح

أرجون، إلينوي | تم النشر في 9 أبريل 2021

الماء، أو H2O، يوحد الهيدروجين والأكسجين. ويجب فصل ذرات الهيدروجين على شكل هيدروجين جزيئي من هذا المركب. تعتمد هذه العملية على خطوة رئيسية - ولكنها بطيئة في كثير من الأحيان -: تفاعل تطور الأكسجين (OER). إن الموارد التعليمية المفتوحة هي التي تحرر الأكسجين الجزيئي من الماء، والتحكم في هذا التفاعل مهم ليس فقط لإنتاج الهيدروجين ولكن أيضًا لمجموعة متنوعة من العمليات الكيميائية، بما في ذلك تلك الموجودة في البطاريات.

"إن تفاعل تطور الأكسجين هو جزء من العديد من العمليات، لذا فإن قابلية التطبيق هنا واسعة جدًا." — بيترو بابا لوبيز، عالم مساعد في أرجون

تسلط دراسة أجراها علماء في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية الضوء على جودة تغيير الشكل في أكاسيد البيروفسكايت، وهو نوع واعد من المواد لتسريع الموارد التعليمية المفتوحة. تشتمل أكاسيد البيروفسكايت على مجموعة من المركبات التي لها جميعًا بنية بلورية مماثلة. وهي تحتوي عادةً على فلز قلوي ترابي أو لانثانيدات مثل La وSr في الموقع A، ومعدن انتقالي مثل Co في الموقع B، متحدًا مع الأكسجين في الصيغة ABO3. يقدم البحث رؤية يمكن استخدامها لتصميم مواد جديدة ليس فقط لصنع الوقود المتجدد ولكن أيضًا لتخزين الطاقة.

يمكن لأكاسيد البيروفسكايت توفير الموارد التعليمية المفتوحة، وهي أقل تكلفة من المعادن الثمينة مثل الإيريديوم أو الروثينيوم التي تقوم بهذه المهمة أيضًا. لكن أكاسيد البيروفسكايت ليست نشطة (وبعبارة أخرى، فعالة في تسريع الموارد التعليمية المفتوحة) مثل هذه المعادن، وتميل إلى التحلل ببطء.

وقال بيترو بابا لوبيز، العالم المساعد في قسم علوم المواد في أرجون والذي قاد الدراسة: "إن فهم كيف يمكن لهذه المواد أن تكون نشطة ومستقرة كان قوة دافعة كبيرة بالنسبة لنا". "أردنا استكشاف العلاقة بين هاتين الخاصيتين وكيفية ارتباط ذلك بخصائص البيروفسكايت نفسه."

ركزت الأبحاث السابقة على الخصائص السائبة لمواد البيروفسكايت وكيفية ارتباطها بنشاط الموارد التعليمية المفتوحة. ومع ذلك، تساءل الباحثون عما إذا كان هناك المزيد من القصة. بعد كل شيء، سطح المادة، حيث تتفاعل مع محيطها، يمكن أن يكون مختلفًا تمامًا عن الباقي. توجد أمثلة كهذه في كل مكان في الطبيعة: فكر في ثمرة الأفوكادو المقطعة إلى النصف والتي تتحول إلى اللون البني بسرعة حيث تلتقي بالهواء ولكنها تظل خضراء في الداخل. بالنسبة لمواد البيروفسكايت، فإن السطح الذي يصبح مختلفًا عن الكتلة يمكن أن يكون له آثار مهمة على كيفية فهم خصائصها.

في أنظمة التحليل الكهربائي للمياه، التي تقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، تتفاعل أكاسيد البيروفسكايت مع إلكتروليت مصنوع من الماء وأنواع ملحية خاصة، مما يخلق واجهة تسمح للجهاز بالعمل. عند تطبيق التيار الكهربائي، تعتبر هذه الواجهة حاسمة في بدء عملية تقسيم الماء. وقال لوبيز: "إن سطح المادة هو الجانب الأكثر أهمية في كيفية سير تفاعل تطور الأكسجين: ما مقدار الجهد الذي تحتاجه، وكم الأوكسجين والهيدروجين الذي ستنتجه".

لا يختلف سطح أكسيد البيروفسكايت عن بقية المادة فحسب، بل يتغير أيضًا بمرور الوقت. وقال لوبيز: "بمجرد دخوله إلى نظام كهروكيميائي، يتطور سطح البيروفسكايت ويتحول إلى طبقة رقيقة غير متبلورة". "إنها لا تشبه أبدًا المادة التي تبدأ بها."

قام الباحثون بدمج الحسابات النظرية والتجارب لتحديد كيفية تطور سطح مادة البيروفسكايت خلال الموارد التعليمية المفتوحة. وللقيام بذلك بدقة، قاموا بدراسة بيروفسكايت أكسيد الكوبالت اللانثانم وضبطوه عن طريق "تطعيم" اللانثانوم بالسترونتيوم، وهو معدن أكثر تفاعلاً. كلما تمت إضافة المزيد من السترونتيوم إلى المادة الأولية، كلما تطور سطحه بشكل أسرع وأصبح نشطًا في الموارد التعليمية المفتوحة، وهي عملية تمكن الباحثون من ملاحظتها بدقة ذرية باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ. وجد الباحثون أن انحلال السترونتيوم وفقدان الأكسجين من البيروفسكايت كانا السبب وراء تكوين هذه الطبقة السطحية غير المتبلورة، وهو ما تم تفسيره بشكل أكبر من خلال النمذجة الحسابية التي تم إجراؤها باستخدام مركز المواد النانوية، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.

“The last missing piece to understand why the perovskites were active towards the OER was to explore the role of small amounts of iron present in the electrolyte,” Lopes said. The same group of researchers recently discovered that traces of iron can improve the OER on other amorphous oxide surfaces. Once they determined that a perovskite surface evolves into an amorphous oxide, then it became clear why iron was so important.

قال بيتر زابول، الفيزيائي في أرجون والمؤلف المشارك للدراسة: "تساعد الدراسات الحسابية العلماء على فهم آليات التفاعل التي تشمل سطح البيروفسكايت والكهارل". "لقد ركزنا على آليات التفاعل التي تحرك اتجاهات النشاط والاستقرار في مواد البيروفسكايت. ولا يتم ذلك عادةً في الدراسات الحسابية، التي تميل إلى التركيز فقط على آليات التفاعل المسؤولة عن النشاط.

ووجدت الدراسة أن سطح أكسيد البيروفسكايت تطور إلى طبقة غير متبلورة غنية بالكوبالت يبلغ سمكها بضعة نانومترات فقط. عندما كان الحديد موجودًا في المنحل بالكهرباء، ساعد الحديد في تسريع الموارد التعليمية المفتوحة، في حين كان للطبقة الغنية بالكوبالت تأثير مثبت على الحديد، مما أدى إلى إبقائه نشطًا على السطح.

تشير النتائج إلى استراتيجيات محتملة جديدة لتصميم مواد البيروفسكايت، حيث يمكن للمرء أن يتخيل إنشاء نظام من طبقتين، كما قال لوبيز، وهو أكثر استقرارًا وقدرة على الترويج للموارد التعليمية المفتوحة.

وقال لوبيز: "إن الموارد التعليمية المفتوحة هي جزء من العديد من العمليات، لذا فإن قابلية التطبيق هنا واسعة جدًا". "إن فهم ديناميكيات المواد وتأثيرها على العمليات السطحية هو كيف يمكننا أن نجعل أنظمة تحويل وتخزين الطاقة أفضل وأكثر كفاءة وبأسعار معقولة."

# # #

تم وصف الدراسة في ورقة بحثية نُشرت وتم تسليط الضوء عليها على غلاف مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية بتاريخ 24 فبراير، بعنوان "المواقع النشطة المستقرة ديناميكيًا من التطور السطحي لمواد البيروفسكايت أثناء تطور الأكسجين". بالإضافة إلى لوبيز وزابول، يضم المؤلفون المشاركون دونغ يونغ تشونغ، وهونغ تشنغ، وبيدرو فاريناتسو بيرغامو دياس مارتينز، ودوسان سترمنيك، وفوجيسلاف ستامينكوفيتش، ونيناد ماركوفيتش، وجون ميتشل في أرجون؛ شيويه روي وروبرت كلي في جامعة إلينوي في شيكاغو؛ وهايينغ هي في جامعة فالبارايسو. تم تمويل هذا البحث من قبل مكتب علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة.

####

حول مختبر أرجون الوطني
يبحث مختبر أرغون الوطني عن حلول للمشاكل الوطنية الملحة في العلوم والتكنولوجيا. يُجري Argonne أول مختبر وطني في البلاد ، أبحاثًا علمية أساسية وتطبيقية رائدة في كل تخصص علمي تقريبًا. يعمل باحثو أرغون عن كثب مع باحثين من مئات الشركات والجامعات والوكالات الفيدرالية والولائية والبلدية لمساعدتهم على حل مشكلاتهم المحددة ، وتعزيز القيادة العلمية الأمريكية ، وإعداد الأمة لمستقبل أفضل. مع موظفين من أكثر من 60 دولة ، تتم إدارة Argonne بواسطة UChicago Argonne، LLC لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

حول مركز أرجون للمواد النانوية

يعد مركز المواد النانوية أحد مراكز أبحاث علوم النانو الخمسة التابعة لوزارة الطاقة، وهو عبارة عن مرافق مستخدم وطنية رائدة لإجراء أبحاث متعددة التخصصات على مقياس النانو بدعم من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. تضم مراكز NSRC معًا مجموعة من المرافق التكميلية التي تزود الباحثين بأحدث القدرات لتصنيع ومعالجة وتوصيف ونمذجة المواد النانوية، وتشكل أكبر استثمار في البنية التحتية للمبادرة الوطنية لتقنية النانو. تقع مراكز NSRC في مختبرات أرغون وبروكهافن ولورنس بيركلي وأوك ريدج وسانديا ولوس ألاموس الوطنية التابعة لوزارة الطاقة. لمزيد من المعلومات حول NSRCs التابعة لوزارة الطاقة، يرجى زيارة الموقع https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

يعد مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أكبر داعم للأبحاث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة ويعمل على معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحًا في عصرنا. للمزيد من المعلومات قم بزيارة https://energy.gov/science .

لمزيد من المعلومات ، يرجى الضغط هنا

جهات الاتصال:
ديانا أندرسون
630-252-4593

تضمين التغريدة

حقوق الطبع والنشر © Argonne National Laboratory

إذا كان لديك تعليق ، من فضلك اتصل بنا لنا.

جهات إصدار النشرات الإخبارية ، وليس 7th Wave، Inc. أو Nanotechnology Now ، هي المسؤولة وحدها عن دقة المحتوى.

المرجعية: