16 Ιανουαρίου 2024
(Ειδήσεις Nanowerk) Μια βασική χημική αντίδραση — στην οποία η κίνηση των πρωτονίων μεταξύ της επιφάνειας ενός ηλεκτροδίου και ενός ηλεκτρολύτη οδηγεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα — είναι ένα κρίσιμο βήμα σε πολλές ενεργειακές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου και των ηλεκτρολυτών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αερίου υδρογόνου. Για πρώτη φορά, οι χημικοί του MIT έχουν χαρτογραφήσει λεπτομερώς πώς συμβαίνουν αυτές οι συζευγμένες με πρωτόνια μεταφορές ηλεκτρονίων σε μια επιφάνεια ηλεκτροδίου. Τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν πιο αποδοτικές κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες ή άλλες ενεργειακές τεχνολογίες. «Η πρόοδός μας σε αυτό το άρθρο ήταν να μελετήσουμε και να κατανοήσουμε τη φύση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια συζευγνύονται σε μια επιφανειακή θέση, η οποία είναι σχετική για καταλυτικές αντιδράσεις που είναι σημαντικές στο πλαίσιο των συσκευών μετατροπής ενέργειας ή των καταλυτικών αντιδράσεων», λέει ο Yogesh Surendranath, καθηγητής χημείας και χημικής μηχανικής στο MIT και ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. Μεταξύ των ευρημάτων τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να εντοπίσουν ακριβώς πώς οι αλλαγές στο pH του διαλύματος ηλεκτρολύτη που περιβάλλει ένα ηλεκτρόδιο επηρεάζουν τον ρυθμό της κίνησης του πρωτονίου και τη ροή ηλεκτρονίων μέσα στο ηλεκτρόδιο. Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT Noah Lewis είναι ο κύριος συγγραφέας της εργασίας, η οποία εμφανίζεται σήμερα στο Φύση Χημεία ("Ένα μηχανιστικό πλαίσιο μοριακού επιπέδου για κινητικές μεταφοράς ηλεκτρονίων με συζευγμένο με πρωτόνιο"). Ryan Bisbey, πρώην μεταδιδάκτορας του MIT. Karl Westendorff, μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT. και ο Alexander Soudackov, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Yale, είναι επίσης συγγραφείς της εργασίας.
Η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού δυναμικού προκαλεί τη μεταφορά ενός πρωτονίου από ένα ιόν υδρονίου (στα δεξιά) στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια με μοριακά καθορισμένες θέσεις δέσμευσης πρωτονίων, οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν ένα γενικό μοντέλο για αυτές τις διεπιφανειακές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων συζευγμένων με πρωτόνια. (Εικόνα: Ευγενική προσφορά των ερευνητών)
Περαστικά πρωτόνια
Η μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο συμβαίνει όταν ένα μόριο, συχνά νερό ή οξύ, μεταφέρει ένα πρωτόνιο σε ένα άλλο μόριο ή σε μια επιφάνεια ηλεκτροδίου, το οποίο διεγείρει τον δέκτη πρωτονίων να προσλάβει επίσης ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό το είδος αντίδρασης έχει αξιοποιηθεί για πολλές ενεργειακές εφαρμογές. «Αυτές οι συζευγμένες με πρωτόνια αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι πανταχού παρούσες. Είναι συχνά βασικά βήματα στους καταλυτικούς μηχανισμούς και είναι ιδιαίτερα σημαντικά για διαδικασίες μετατροπής ενέργειας όπως η παραγωγή υδρογόνου ή η κατάλυση κυψελών καυσίμου», λέει ο Surendranath. Σε έναν ηλεκτρολύτη που παράγει υδρογόνο, αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται για την αφαίρεση πρωτονίων από το νερό και την προσθήκη ηλεκτρονίων στα πρωτόνια για να σχηματιστεί αέριο υδρογόνο. Σε μια κυψέλη καυσίμου, η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται όταν τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια αφαιρούνται από το αέριο υδρογόνο και προστίθενται στο οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό. Η μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο είναι κοινή σε πολλούς άλλους τύπους χημικών αντιδράσεων, για παράδειγμα, τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα (η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε χημικά καύσιμα με την προσθήκη ηλεκτρονίων και πρωτονίων). Οι επιστήμονες έχουν μάθει πολλά για το πώς συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις όταν οι δέκτες πρωτονίων είναι μόρια, επειδή μπορούν να ελέγξουν με ακρίβεια τη δομή κάθε μορίου και να παρατηρήσουν πώς περνούν ηλεκτρόνια και πρωτόνια ανάμεσά τους. Ωστόσο, όταν πραγματοποιείται μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου, η διαδικασία είναι πολύ πιο δύσκολη να μελετηθεί επειδή οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων είναι συνήθως πολύ ετερογενείς, με πολλές διαφορετικές θέσεις στις οποίες ένα πρωτόνιο θα μπορούσε ενδεχομένως να συνδεθεί. Για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο, η ομάδα του MIT ανέπτυξε έναν τρόπο να σχεδιάσει επιφάνειες ηλεκτροδίων που τους δίνει πολύ πιο ακριβή έλεγχο στη σύνθεση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου. Τα ηλεκτρόδιά τους αποτελούνται από φύλλα γραφενίου με οργανικές ενώσεις που περιέχουν δακτύλιο προσαρτημένες στην επιφάνεια. Στο τέλος καθενός από αυτά τα οργανικά μόρια βρίσκεται ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν οξυγόνου που μπορεί να δεχτεί πρωτόνια από το περιβάλλον διάλυμα, το οποίο αναγκάζει ένα ηλεκτρόνιο να ρέει από το κύκλωμα στη γραφιτική επιφάνεια. «Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα ηλεκτρόδιο που δεν αποτελείται από μια ευρεία ποικιλία θέσεων, αλλά είναι μια ομοιόμορφη συστοιχία ενός μόνο τύπου πολύ καλά καθορισμένων θέσεων που μπορεί καθεμία να δεσμεύσει ένα πρωτόνιο με την ίδια συγγένεια», λέει ο Surendranath. «Δεδομένου ότι έχουμε αυτές τις πολύ καλά καθορισμένες τοποθεσίες, αυτό που μας επέτρεψε να κάνουμε ήταν να ξεδιαλύνουμε πραγματικά την κινητική αυτών των διεργασιών». Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος στα ηλεκτρόδια, το οποίο τους επέτρεψε να υπολογίσουν τον ρυθμό μεταφοράς πρωτονίων στο ιόν οξυγόνου στην επιφάνεια σε ισορροπία - την κατάσταση κατά την οποία οι ρυθμοί δωρεάς πρωτονίων στην επιφάνεια και η μεταφορά πρωτονίων πίσω στο διάλυμα από την επιφάνεια είναι ίσες. Βρήκαν ότι το pH του περιβάλλοντος διαλύματος έχει σημαντική επίδραση σε αυτόν τον ρυθμό: Τα υψηλότερα ποσοστά εμφανίστηκαν στα ακραία άκρα της κλίμακας pH — pH 0, το πιο όξινο, και pH 14, το πιο βασικό. Για να εξηγήσουν αυτά τα αποτελέσματα, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μοντέλο που βασίζεται σε δύο πιθανές αντιδράσεις που μπορούν να συμβούν στο ηλεκτρόδιο. 3O+), τα οποία βρίσκονται σε υψηλή συγκέντρωση σε έντονα όξινα διαλύματα, μεταφέρουν πρωτόνια στην επιφάνεια ιόντα οξυγόνου, παράγοντας νερό. Στη δεύτερη, το νερό μεταφέρει πρωτόνια στην επιφάνεια ιόντα οξυγόνου, δημιουργώντας ιόντα υδροξειδίου (OH-), τα οποία βρίσκονται σε υψηλή συγκέντρωση σε ισχυρά βασικά διαλύματα. Ωστόσο, ο ρυθμός σε pH 0 είναι περίπου τέσσερις φορές ταχύτερος από τον ρυθμό σε pH 14, εν μέρει επειδή το υδρόνιο απελευθερώνει πρωτόνια με ταχύτερο ρυθμό από το νερό.Μια αντίδραση για επανεξέταση
Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης, προς έκπληξή τους, ότι οι δύο αντιδράσεις έχουν ίσους ρυθμούς όχι σε ουδέτερο pH 7, όπου οι συγκεντρώσεις υδρονίου και υδροξειδίου είναι ίσες, αλλά σε pH 10, όπου η συγκέντρωση ιόντων υδροξειδίου είναι 1 εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από αυτή του υδρονίου. Το μοντέλο προτείνει ότι αυτό συμβαίνει επειδή η προς τα εμπρός αντίδραση που περιλαμβάνει δωρεά πρωτονίων από υδρόνιο ή νερό συμβάλλει περισσότερο στο συνολικό ρυθμό από την αντίστροφη αντίδραση που περιλαμβάνει την αφαίρεση πρωτονίων με νερό ή υδροξείδιο. Τα υπάρχοντα μοντέλα για το πώς συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων υποθέτουν ότι οι αντιδράσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω συμβάλλουν εξίσου στο συνολικό ρυθμό, επομένως τα νέα ευρήματα υποδηλώνουν ότι αυτά τα μοντέλα μπορεί να χρειαστεί να επανεξεταστούν, λένε οι ερευνητές. «Αυτή είναι η προεπιλεγμένη υπόθεση, ότι η μπροστινή και η αντίστροφη αντίδραση συμβάλλουν εξίσου στον ρυθμό αντίδρασης», λέει ο Surendranath. «Το εύρημα μας είναι πραγματικά εντυπωσιακό γιατί σημαίνει ότι η υπόθεση που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι για να αναλύσουν τα πάντα, από την κατάλυση κυψελών καυσίμου έως την εξέλιξη του υδρογόνου, μπορεί να είναι κάτι που πρέπει να επανεξετάσουμε». Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα την πειραματική τους εγκατάσταση για να μελετήσουν πώς η προσθήκη διαφορετικών τύπων ιόντων στο διάλυμα ηλεκτρολύτη που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο μπορεί να επιταχύνει ή να επιβραδύνει τον ρυθμό της συζευγμένης με πρωτόνια ροή ηλεκτρονίων. «Με το σύστημά μας, γνωρίζουμε ότι οι τοποθεσίες μας είναι σταθερές και δεν επηρεάζουν ο ένας τον άλλον, επομένως μπορούμε να διαβάσουμε τι κάνει η αλλαγή στη λύση στην αντίδραση στην επιφάνεια», λέει ο Lewis.- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64425.php
- :έχει
- :είναι
- :δεν
- :που
- $UP
- 1
- 10
- 11
- 13
- 14
- 16
- 7
- 8
- a
- Ικανός
- ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ
- Αποδέχομαι
- προσθέτω
- προστιθέμενη
- προσθήκη
- εκ των προτέρων
- επηρεάζουν
- συγκινητικός
- Αλέξανδρος
- επιτρέπεται
- Επίσης
- μεταξύ των
- an
- αναλύσει
- και
- Άλλος
- εμφανίζεται
- εφαρμογές
- εφαρμόζοντας
- πλησιάζω
- ΕΙΝΑΙ
- Παράταξη
- AS
- υποθέτω
- υπόθεση
- At
- συγγραφέας
- συγγραφείς
- πίσω
- βασίζονται
- βασικός
- μπαταρίες
- BE
- επειδή
- ήταν
- μεταξύ
- δεσμεύουν
- δεσμευτικός
- αλλά
- by
- υπολογίσει
- CAN
- άνθρακας
- διοξείδιο του άνθρακα
- αίτια
- κύτταρο
- Κύτταρα
- Κέντρο
- αλλαγή
- Αλλαγές
- φορτισμένα
- χημική ουσία
- χημεία
- Χημικοί
- Κοινός
- σύνθεση
- συγκέντρωση
- σταθερός
- συμφραζόμενα
- συμβάλλει
- συμβάλλει
- έλεγχος
- Μετατροπή
- θα μπορούσε να
- Ζευγάρι
- δημιουργία
- κρίσιμης
- Ρεύμα
- Ημερομηνία
- συμφωνία
- Προεπιλογή
- ορίζεται
- παραδώσει
- παραδίδει
- Υπηρεσίες
- λεπτομέρεια
- αναπτύχθηκε
- Συσκευές
- διαφορετικές
- δύσκολος
- ανακάλυψαν
- Ποικιλία
- do
- Όχι
- πράξη
- δωρεά
- κάτω
- δίσκους
- κάθε
- αποτέλεσμα
- αποτελεσματικός
- Ηλεκτρικό
- ηλεκτρικής ενέργειας
- ηλεκτρολύτης
- ηλεκτρόνια
- τέλος
- τελειώνει
- ενέργεια
- Μηχανική
- ίσος
- εξίσου
- Ισορροπία
- Αιθέρας (ΕΤΗ)
- πάντα
- εξέλιξη
- ακριβώς
- παράδειγμα
- υφιστάμενα
- πειραματικός
- Εξηγήστε
- άκρο
- γρηγορότερα
- εύρεση
- ευρήματα
- Όνομα
- πρώτη φορά
- ροή
- Για
- μορφή
- Πρώην
- Προς τα εμπρός
- Βρέθηκαν
- τέσσερα
- Πλαίσιο
- από
- Καύσιμα
- κυψέλες καυσίμου
- καύσιμα
- GAS
- General
- παράγεται
- παραγωγής
- γενεά
- δίνει
- αποφοιτήσουν
- Το γραφένιο
- εξαιρετική
- συμβαίνω
- αξιοποιηθεί
- Έχω
- Καρδιά
- βοήθεια
- Ψηλά
- υψηλότερο
- Πως
- Ωστόσο
- HTTPS
- υδρογόνο
- εικόνα
- σημαντικό
- in
- Συμπεριλαμβανομένου
- σε
- συμμετοχή
- IT
- jpg
- karl
- Κλειδί
- Είδος
- Ξέρω
- οδηγήσει
- μάθει
- Λουδοβίκος
- πολοί
- Ενδέχεται..
- μέσα
- μέτρο
- μηχανισμούς
- Μέσο
- εκατομμύριο
- MIT
- Απόφοιτος του MIT
- μοντέλο
- μοντέλα
- μόριο
- περισσότερο
- πιο αποτελεσματικό
- πλέον
- κίνηση
- κίνηση
- πολύ
- Φύση
- Ανάγκη
- αρνητικά
- Ουδέτερος
- Νέα
- Νώε
- τώρα
- παρατηρούμε
- εμπόδιο
- συμβούν
- συνέβη
- of
- συχνά
- on
- or
- οργανικές
- ΑΛΛΑ
- δικός μας
- έξω
- επί
- φόρμες
- Ξεπεράστε
- Οξυγόνο
- Χαρτί
- μέρος
- ιδιαίτερα
- passieren
- People
- Πλάτων
- Πληροφορία δεδομένων Plato
- Πλάτωνα δεδομένα
- δυνατός
- δυναμικού
- ενδεχομένως
- ανάγκη
- ακριβώς
- διαδικασια μας
- Διεργασίες
- παράγει
- Δάσκαλος
- πρωτόνια
- Τιμή
- Τιμές
- αντίδραση
- αντιδράσεις
- Διάβασε
- πραγματικά
- μείωση
- αφαίρεση
- αφαιρέστε
- Καταργήθηκε
- Ανανεώσιμος
- ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
- έρευνα
- ερευνητές
- Αποτελέσματα
- Αποκαλύπτει
- αντιστρέψει
- δεξιά
- Ryan
- s
- ίδιο
- λένε
- λέει
- Κλίμακα
- Επιστήμονας
- επιστήμονες
- Δεύτερος
- αρχαιότερος
- setup
- σημαντικός
- ενιαίας
- ιστοσελίδα
- Sites
- επιβραδύνουν
- So
- λύση
- Λύσεις
- κάτι
- ταχύτητα
- Κατάσταση
- Βήμα
- Βήματα
- διεγείρει
- δυνατά
- δομή
- Φοιτητής
- Μελέτη
- μελετώντας
- τέτοιος
- προτείνω
- Προτείνει
- Επιφάνεια
- έκπληξη
- περιβάλλων
- σύστημα
- Πάρτε
- Τεχνολογίες
- από
- ότι
- Η
- Το κράτος
- τους
- Τους
- Αυτοί
- αυτοί
- αυτό
- εκείνοι
- ώρα
- φορές
- προς την
- σήμερα
- ίχνος
- μεταφορά
- μεταβιβάσεις
- δύο
- τύπος
- τύποι
- πανταχού παρών
- κατανόηση
- πανεπιστήμιο
- ξεμπερδεύω
- us
- μεταχειρισμένος
- χρησιμοποιώντας
- συνήθως
- πολύ
- ήταν
- Νερό
- Τρόπος..
- we
- καλά καθορισμένη
- ήταν
- Τι
- πότε
- Ποιό
- ευρύς
- με
- εντός
- zephyrnet