Bedre løsninger til at få brint til at ligge lige på overfladen

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Bedre løsninger til fremstilling af brint kan ligge lige ved overfladen

Den unikke interaktion mellem perovskitoxid, dets skiftende overfladelag og jernarter, der er aktive mod OER, baner en ny vej for design af aktive og stabile materialer, hvilket bringer os et skridt tættere på effektiv og overkommelig grøn brintproduktion. KREDIT Argonne National Laboratory

Abstract:
En ren energifremtid drevet af brintbrændstof afhænger af at finde ud af, hvordan man pålideligt og effektivt spalter vand. Det er fordi, selvom brint er rigeligt, skal det stamme fra et andet stof, der indeholder det - og i dag er det stof ofte metangas. Forskere søger måder at isolere dette energibærende element uden at bruge fossile brændstoffer. Det ville bane vejen for for eksempel brintdrevne biler, der kun udsender vand og varm luft ved udstødningsrøret.

Bedre løsninger til fremstilling af brint kan ligge lige ved overfladen

Argonne, IL | Udgivet den 9. april 2021

Vand, eller H2O, forener brint og oxygen. Hydrogenatomer i form af molekylært brint skal adskilles fra denne forbindelse. Denne proces afhænger af et vigtigt - men ofte langsomt - trin: oxygenudviklingsreaktionen (OER). OER er det, der frigør molekylær oxygen fra vand, og styring af denne reaktion er vigtig ikke kun for brintproduktion, men en række kemiske processer, inklusive dem, der findes i batterier.

"Oiltudviklingsreaktionen er en del af så mange processer, så anvendeligheden her er ret bred." — Pietro Papa Lopes, Argonne assisterende videnskabsmand

En undersøgelse ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory belyser en formskiftende kvalitet i perovskitoxider, en lovende type materiale til at fremskynde OER. Perovskitoxider omfatter en række forbindelser, der alle har en lignende krystallinsk struktur. De indeholder typisk et jordalkalimetal eller lanthanider såsom La og Sr i A-stedet, og et overgangsmetal såsom Co i B-stedet, kombineret med oxygen i formlen ABO3. Forskningen giver indsigt, der kunne bruges til at designe nye materialer, ikke kun til fremstilling af vedvarende brændstoffer, men også til lagring af energi.

Perovskitoxider kan skabe OER, og de er billigere end ædle metaller som iridium eller ruthenium, der også gør arbejdet. Men perovskitoxider er ikke så aktive (med andre ord effektive til at accelerere OER) som disse metaller, og de har en tendens til langsomt at nedbrydes.

"At forstå, hvordan disse materialer kan være aktive og stabile, var en stor drivkraft for os," sagde Pietro Papa Lopes, en assisterende videnskabsmand i Argonnes Materials Science-afdeling, der ledede undersøgelsen. "Vi ønskede at udforske forholdet mellem disse to egenskaber, og hvordan det hænger sammen med egenskaberne af selve perovskitten."

Tidligere forskning har fokuseret på bulkegenskaberne af perovskitmaterialer, og hvordan de relaterer til OER-aktiviteten. Forskerne spekulerede dog på, om der var mere i historien. Når alt kommer til alt, kan overfladen af et materiale, hvor det reagerer med dets omgivelser, være helt anderledes end resten. Eksempler som dette er overalt i naturen: tænk på en halveret avocado, der hurtigt brunes, hvor den møder luften, men forbliver grøn indeni. For perovskitmaterialer kan en overflade, der bliver forskellig fra bulken, have vigtige konsekvenser for, hvordan vi forstår deres egenskaber.

I vandelektrolysesystemer, som opdeler vand i brint og oxygen, interagerer perovskitoxider med en elektrolyt lavet af vand og specielle saltarter, hvilket skaber en grænseflade, der gør det muligt for enheden at fungere. Når der påføres elektrisk strøm, er denne grænseflade afgørende for at sætte gang i vandopdelingsprocessen. "Materialets overflade er det vigtigste aspekt af, hvordan iltudviklingsreaktionen vil forløbe: Hvor meget spænding du har brug for, og hvor meget ilt og brint du kommer til at producere," sagde Lopes.

Ikke alene er perovskitoxidets overflade forskellig fra resten af materialet, den ændrer sig også over tid. "Når den er i et elektrokemisk system, udvikler perovskitoverfladen sig og bliver til en tynd, amorf film," sagde Lopes. "Det er aldrig rigtig det samme som det materiale, du starter med."

Forskerne kombinerede teoretiske beregninger og eksperimenter for at bestemme, hvordan overfladen af et perovskitmateriale udvikler sig under OER. For at gøre det med præcision studerede de lanthan-koboltoxidperovskit og tunede det ved at "dope" lanthanet med strontium, et mere reaktivt metal. Jo mere strontium der blev tilsat til det oprindelige materiale, jo hurtigere udviklede dets overflade og blev aktiv for OER - en proces, som forskerne var i stand til at observere ved atomopløsning med transmissionselektronmikroskopi. Forskerne fandt ud af, at strontiumopløsning og ilttab fra perovskitten drev dannelsen af dette amorfe overfladelag, hvilket yderligere blev forklaret ved beregningsmodellering udført ved hjælp af Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility.

"Den sidste manglende brik til at forstå, hvorfor perovskitterne var aktive over for OER, var at udforske rollen af små mængder jern til stede i elektrolytten," sagde Lopes. Den samme gruppe forskere opdagede for nylig, at spor af jern kan forbedre OER på andre amorfe oxidoverflader. Da de først fandt ud af, at en perovskitoverflade udvikler sig til et amorft oxid, blev det klart, hvorfor jern var så vigtigt.

"Beregningsundersøgelser hjælper videnskabsmænd med at forstå reaktionsmekanismer, der involverer både perovskitoverfladen og elektrolytten," sagde Peter Zapol, fysiker ved Argonne og medforfatter af undersøgelsen. "Vi fokuserede på reaktionsmekanismer, der driver både aktivitets- og stabilitetstendenser i perovskitmaterialer. Dette gøres typisk ikke i beregningsstudier, som har en tendens til udelukkende at fokusere på de reaktionsmekanismer, der er ansvarlige for aktiviteten."

Undersøgelsen viste, at perovskitoxidets overflade udviklede sig til en koboltrig amorf film, der kun var få nanometer tyk. Når jern var til stede i elektrolytten, hjalp jernet med at accelerere OER, mens den koboltrige film havde en stabiliserende effekt på jernet og holdt det aktivt ved overfladen.

Resultaterne foreslår nye potentielle strategier til at designe perovskitmaterialer - man kan forestille sig at skabe et to-lagssystem, sagde Lopes, der er endnu mere stabilt og i stand til at fremme OER.

"OER er en del af så mange processer, så anvendeligheden her er ret bred," sagde Lopes. "Forståelse af materialers dynamik og deres effekt på overfladeprocesserne er, hvordan vi kan gøre energikonverterings- og lagringssystemer bedre, mere effektive og overkommelige."

###

Undersøgelsen er beskrevet i et papir offentliggjort og fremhævet på 24. februar forsiden af Journal of the American Chemical Society, "Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution." Ud over Lopes og Zapol omfatter medforfatterne Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic og John Mitchell hos Argonne; Xue Rui og Robert Klie ved University of Illinois i Chicago; og Haiying He ved Valparaiso University. Denne forskning blev finansieret af DOE's Office of Basic Energy Sciences.

####

Om Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory søger løsninger på presserende nationale problemer inden for videnskab og teknologi. Nationens første nationale laboratorium, Argonne, udfører førende grundlæggende og anvendt videnskabelig forskning i stort set alle videnskabelige discipliner. Argonne-forskere arbejder tæt sammen med forskere fra hundredvis af virksomheder, universiteter og føderale, statslige og kommunale agenturer for at hjælpe dem med at løse deres specifikke problemer, fremme Amerikas videnskabelige lederskab og forberede nationen på en bedre fremtid. Med ansatte fra mere end 60 nationer ledes Argonne af UChicago Argonne, LLC for US Department of Energy's Office of Science.

Om Argonne's Center for Nanoscale Materials

Center for Nanoscale Materials er et af de fem DOE Nanoscale Science Research Centre, førende nationale brugerfaciliteter til tværfaglig forskning på nanoskalaen støttet af DOE Office of Science. Sammen udgør NSRC'erne en suite af komplementære faciliteter, der giver forskere avanceret kapacitet til at fremstille, behandle, karakterisere og modellere materialer i nanoskala og udgør den største infrastrukturinvestering i National Nanotechnology Initiative. NSRC'erne er placeret på DOE's Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos National Laboratories. For mere information om DOE NSRC'erne, besøg venligst https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

US Department of Energy's Office of Science er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning inden for de fysiske videnskaber i USA og arbejder på at løse nogle af vor tids mest presserende udfordringer. For mere information, besøg https://energy.gov/science .

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Diana Andersen
630-252-4593

@argonne

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: