Καλύτερες λύσεις για την παραγωγή υδρογόνου μπορεί να βρίσκεται ακριβώς στην επιφάνεια

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αρχική > Τύπος > Καλύτερες λύσεις για την παραγωγή υδρογόνου μπορεί να βρίσκονται ακριβώς στην επιφάνεια

Οι μοναδικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του οξειδίου περοβσκίτη, του μεταβαλλόμενου επιφανειακού του στρώματος και των ειδών σιδήρου που δραστηριοποιούνται προς το OER ανοίγουν έναν νέο δρόμο για το σχεδιασμό ενεργών και σταθερών υλικών, φέρνοντάς μας ένα βήμα πιο κοντά στην αποτελεσματική και προσιτή παραγωγή πράσινου υδρογόνου. Εθνικό Εργαστήριο CREDIT Argonne

Περίληψη:
Ένα μέλλον καθαρής ενέργειας με καύσιμο υδρογόνου εξαρτάται από τον τρόπο αξιόπιστης και αποτελεσματικής διάσπασης του νερού. Αυτό συμβαίνει επειδή, παρόλο που το υδρογόνο είναι άφθονο, πρέπει να προέρχεται από μια άλλη ουσία που το περιέχει — και σήμερα, αυτή η ουσία είναι συχνά αέριο μεθάνιο. Οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους για να απομονώσουν αυτό το στοιχείο που μεταφέρει ενέργεια χωρίς τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Αυτό θα άνοιγε το δρόμο για αυτοκίνητα με υδρογόνο, για παράδειγμα, που εκπέμπουν μόνο νερό και ζεστό αέρα στην εξάτμιση.

Καλύτερες λύσεις για την παραγωγή υδρογόνου μπορεί να βρίσκονται ακριβώς στην επιφάνεια

Argonne, IL | Δημοσιεύτηκε στις 9 Απριλίου 2021

Το νερό, ή H2O, ενώνει υδρογόνο και οξυγόνο. Τα άτομα υδρογόνου με τη μορφή μοριακού υδρογόνου πρέπει να διαχωριστούν από αυτήν την ένωση. Αυτή η διαδικασία εξαρτάται από ένα βασικό —αλλά συχνά αργό— βήμα: την αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER). Το OER είναι αυτό που απελευθερώνει το μοριακό οξυγόνο από το νερό και ο έλεγχος αυτής της αντίδρασης είναι σημαντικός όχι μόνο για την παραγωγή υδρογόνου αλλά για μια ποικιλία χημικών διεργασιών, συμπεριλαμβανομένων αυτών που βρίσκονται στις μπαταρίες.

"Η αντίδραση της εξέλιξης του οξυγόνου είναι μέρος τόσων πολλών διαδικασιών, επομένως η δυνατότητα εφαρμογής εδώ είναι αρκετά ευρεία." — Pietro Papa Lopes, βοηθός επιστήμονας Argonne

Μια μελέτη με επικεφαλής επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) φωτίζει μια ποιότητα που αλλάζει σχήμα στα οξείδια περοβσκίτη, έναν πολλά υποσχόμενο τύπο υλικού για την επιτάχυνση του OER. Τα οξείδια περοβσκίτη περιλαμβάνουν μια σειρά από ενώσεις που όλες έχουν παρόμοια κρυσταλλική δομή. Συνήθως περιέχουν ένα μέταλλο αλκαλικής γαίας ή λανθανίδες όπως La και Sr στη θέση Α και ένα μέταλλο μετάπτωσης όπως Co στη θέση Β, σε συνδυασμό με οξυγόνο στον τύπο ΑΒΟ3. Η έρευνα δίνει μια εικόνα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό νέων υλικών όχι μόνο για την παραγωγή ανανεώσιμων καυσίμων αλλά και για την αποθήκευση ενέργειας.

Τα οξείδια περοβσκίτη μπορούν να δημιουργήσουν το OER και είναι λιγότερο ακριβά από τα πολύτιμα μέταλλα όπως το ιρίδιο ή το ρουθήνιο που επίσης κάνουν τη δουλειά. Αλλά τα οξείδια περοβσκίτη δεν είναι τόσο ενεργά (με άλλα λόγια, αποτελεσματικά στην επιτάχυνση του OER) όσο αυτά τα μέταλλα, και τείνουν να αποικοδομούνται αργά.

«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα υλικά μπορούν να είναι ενεργά και σταθερά ήταν μια μεγάλη κινητήρια δύναμη για εμάς», δήλωσε ο Pietro Papa Lopes, βοηθός επιστήμονας στο τμήμα Επιστήμης Υλικών του Argonne που ηγήθηκε της μελέτης. «Θέλαμε να διερευνήσουμε τη σχέση μεταξύ αυτών των δύο ιδιοτήτων και πώς συνδέεται με τις ιδιότητες του ίδιου του περοβσκίτη».

Προηγούμενη έρευνα είχε επικεντρωθεί στις μαζικές ιδιότητες των υλικών περοβσκίτη και πώς αυτές σχετίζονται με τη δραστηριότητα OER. Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν, ωστόσο, αν υπήρχε κάτι περισσότερο στην ιστορία. Άλλωστε, η επιφάνεια ενός υλικού, όπου αντιδρά με το περιβάλλον του, μπορεί να είναι εντελώς διαφορετική από τις υπόλοιπες. Παραδείγματα όπως αυτό υπάρχουν παντού στη φύση: σκεφτείτε ένα μισό αβοκάντο που ροδίζει γρήγορα εκεί που συναντά τον αέρα, αλλά παραμένει πράσινο μέσα. Για τα υλικά περοβσκίτη, μια επιφάνεια που γίνεται διαφορετική από την κύρια θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τις ιδιότητές τους.

Στα συστήματα ηλεκτρολύτη νερού, τα οποία χωρίζουν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο, τα οξείδια περοβσκίτη αλληλεπιδρούν με έναν ηλεκτρολύτη από νερό και ειδικά είδη αλάτων, δημιουργώντας μια διεπαφή που επιτρέπει στη συσκευή να λειτουργεί. Καθώς εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα, αυτή η διεπαφή είναι κρίσιμη για την έναρξη της διαδικασίας διάσπασης νερού. «Η επιφάνεια του υλικού είναι η πιο σημαντική πτυχή του τρόπου με τον οποίο θα προχωρήσει η αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου: Πόση τάση χρειάζεστε και πόσο οξυγόνο και υδρογόνο πρόκειται να παράγετε», είπε ο Λόπες.

Όχι μόνο η επιφάνεια του περοβσκίτη είναι διαφορετική από το υπόλοιπο υλικό, αλλά αλλάζει και με την πάροδο του χρόνου. «Μόλις είναι σε ένα ηλεκτροχημικό σύστημα, η επιφάνεια του περοβσκίτη εξελίσσεται και μετατρέπεται σε ένα λεπτό, άμορφο φιλμ», είπε ο Λόπες. "Ποτέ δεν είναι πραγματικά ίδιο με το υλικό με το οποίο ξεκινάς."

Οι ερευνητές συνδύασαν θεωρητικούς υπολογισμούς και πειράματα για να προσδιορίσουν πώς εξελίσσεται η επιφάνεια ενός υλικού περοβσκίτη κατά τη διάρκεια του OER. Για να το κάνουν αυτό με ακρίβεια, μελέτησαν περοβσκίτη οξείδιο του κοβαλτίου του λανθανίου και το συντόνισαν «ντοπάροντας» το λανθάνιο με στρόντιο, ένα πιο αντιδραστικό μέταλλο. Όσο περισσότερο στρόντιο προστέθηκε στο αρχικό υλικό, τόσο πιο γρήγορα η επιφάνειά του εξελισσόταν και γινόταν ενεργή για το OER — μια διαδικασία που οι ερευνητές μπόρεσαν να παρατηρήσουν σε ατομική ανάλυση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η διάλυση του στροντίου και η απώλεια οξυγόνου από τον περοβσκίτη οδήγησαν τον σχηματισμό αυτού του άμορφου επιφανειακού στρώματος, το οποίο εξηγήθηκε περαιτέρω από την υπολογιστική μοντελοποίηση που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το Κέντρο Υλικών Νανοκλίμακας, μια Εγκατάσταση Χρήστη του Γραφείου Επιστήμης της DOE.

«Το τελευταίο κομμάτι που έλειπε για να καταλάβουμε γιατί οι περοβσκίτες ήταν ενεργοί προς το OER ήταν η διερεύνηση του ρόλου μικρών ποσοτήτων σιδήρου που υπήρχαν στον ηλεκτρολύτη», είπε ο Λόπες. Η ίδια ομάδα ερευνητών ανακάλυψε πρόσφατα ότι ίχνη σιδήρου μπορούν να βελτιώσουν το OER σε άλλες επιφάνειες άμορφου οξειδίου. Μόλις προσδιόρισαν ότι μια επιφάνεια περοβσκίτη εξελίσσεται σε άμορφο οξείδιο, τότε έγινε σαφές γιατί ο σίδηρος ήταν τόσο σημαντικός.

«Οι υπολογιστικές μελέτες βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν τους μηχανισμούς αντίδρασης που περιλαμβάνουν τόσο την επιφάνεια του περοβσκίτη όσο και τον ηλεκτρολύτη», δήλωσε ο Peter Zapol, φυσικός στο Argonne και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Εστιάσαμε στους μηχανισμούς αντίδρασης που οδηγούν τόσο στη δραστηριότητα όσο και στις τάσεις σταθερότητας στα υλικά περοβσκίτη. Αυτό δεν γίνεται συνήθως σε υπολογιστικές μελέτες, οι οποίες τείνουν να επικεντρώνονται αποκλειστικά στους μηχανισμούς αντίδρασης που είναι υπεύθυνοι για τη δραστηριότητα.»

Η μελέτη διαπίστωσε ότι η επιφάνεια του οξειδίου του περοβσκίτη εξελίχθηκε σε ένα πλούσιο σε κοβάλτιο άμορφο φιλμ πάχους μόλις λίγων νανόμετρων. Όταν υπήρχε σίδηρος στον ηλεκτρολύτη, ο σίδηρος βοήθησε στην επιτάχυνση του OER, ενώ το πλούσιο σε κοβάλτιο φιλμ είχε μια σταθεροποιητική επίδραση στον σίδηρο, διατηρώντας τον ενεργό στην επιφάνεια.

Τα αποτελέσματα προτείνουν νέες πιθανές στρατηγικές για το σχεδιασμό υλικών περοβσκίτη — μπορεί κανείς να φανταστεί τη δημιουργία ενός συστήματος δύο στρωμάτων, είπε ο Lopes, το οποίο είναι ακόμη πιο σταθερό και ικανό να προωθήσει το OER.

"Το OER είναι μέρος τόσων πολλών διαδικασιών, επομένως η δυνατότητα εφαρμογής εδώ είναι αρκετά ευρεία", είπε ο Lopes. «Η κατανόηση της δυναμικής των υλικών και της επίδρασής τους στις επιφανειακές διεργασίες είναι πώς μπορούμε να κάνουμε τα συστήματα μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας καλύτερα, πιο αποτελεσματικά και οικονομικά προσιτά».

###

Η μελέτη περιγράφεται σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε και υπογραμμίστηκε στο εξώφυλλο της 24ης Φεβρουαρίου του Journal of the American Chemical Society, «Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution». Εκτός από τον Λόπες και τη Ζάπολ, μεταξύ των συγγραφέων περιλαμβάνονται οι Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic και John Mitchell στο Argonne. Xue Rui και Robert Klie στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Σικάγο. και Haiying He στο Πανεπιστήμιο Valparaiso. Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Βασικών Ενεργειακών Επιστημών του DOE.

####

Σχετικά με το Εθνικό Εργαστήριο Argonne
Το Argonne National Laboratory αναζητά λύσεις στα πιεστικά εθνικά προβλήματα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Το πρώτο εθνικό εργαστήριο του έθνους, το Argonne διεξάγει βασική και εφαρμοσμένη επιστημονική έρευνα αιχμής σε σχεδόν κάθε επιστημονικό κλάδο. Οι ερευνητές της Argonne συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακές, πολιτειακές και δημοτικές υπηρεσίες για να τους βοηθήσουν να λύσουν τα συγκεκριμένα προβλήματά τους, να προωθήσουν την επιστημονική ηγεσία της Αμερικής και να προετοιμάσουν το έθνος για ένα καλύτερο μέλλον. Με υπαλλήλους από περισσότερα από 60 έθνη, η Argonne διοικείται από την UChicago Argonne, LLC για το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Σχετικά με το Κέντρο Υλικών Νανοκλίμακας της Argonne

Το Κέντρο για Υλικά Νανοκλίμακας είναι ένα από τα πέντε Επιστημονικά Ερευνητικά Κέντρα Νανοκλίμακας του DOE, κορυφαίες εθνικές εγκαταστάσεις χρηστών για διεπιστημονική έρευνα στη νανοκλίμακα που υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστήμης του DOE. Μαζί τα NSRC αποτελούν μια σουίτα συμπληρωματικών εγκαταστάσεων που παρέχουν στους ερευνητές δυνατότητες αιχμής για την κατασκευή, επεξεργασία, χαρακτηρισμό και μοντελοποίηση υλικών νανοκλίμακας και αποτελούν τη μεγαλύτερη επένδυση υποδομής της Εθνικής Πρωτοβουλίας Νανοτεχνολογίας. Τα NSRC βρίσκονται στα εθνικά εργαστήρια Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia και Los Alamos της DOE. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα DOE NSRCs, επισκεφθείτε https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είναι ο μοναδικός μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες και εργάζεται για να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε https://energy.gov/science .

Για περισσότερες πληροφορίες, πατήστε εδώ

Επαφές:
Νταϊάνα Άντερσον
630-252-4593

@argonne

Πνευματικά δικαιώματα © Εθνικό Εργαστήριο Argonne

Εάν έχετε ένα σχόλιο, παρακαλώ Επικοινωνία και εμείς με χαρά θα σας εξυπηρετήσουμε.

Οι εκδότες δελτίων ειδήσεων, όχι η 7th Wave, Inc. ή η Nanotechnology Now, είναι αποκλειστικά υπεύθυνες για την ακρίβεια του περιεχομένου.

Bookmark: