Paremad lahendused selleks, et vesinik võib pinnale jääda

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Avaleht > press > Paremad lahendused vesiniku valmistamiseks võivad asuda just pinnal

Ainulaadne koostoime perovskiitoksiidi, selle muutuva pinnakihi ja OER-i suunas aktiivsete raualiikide vahel sillutab uut teed aktiivsete ja stabiilsete materjalide kujundamiseks, viies meid sammu võrra lähemale tõhusale ja taskukohasele rohelise vesiniku tootmisele. KREDIT Argonne'i riiklik labor

Abstraktne:
Vesinikkütusel töötav puhta energia tulevik sõltub sellest, kuidas välja mõelda, kuidas vett usaldusväärselt ja tõhusalt jagada. Selle põhjuseks on asjaolu, et kuigi vesinikku on külluses, peab see olema saadud teisest ainest, mis seda sisaldab – ja tänapäeval on selleks aineks sageli metaangaas. Teadlased otsivad võimalusi selle energiat kandva elemendi isoleerimiseks ilma fossiilkütuseid kasutamata. See sillutaks teed näiteks vesinikkütusega autodele, mis eraldavad summutitorust ainult vett ja sooja õhku.

Paremad lahendused vesiniku valmistamiseks võivad asuda just pinnal

Argonne, IL | Postitatud 9. aprillil 2021

Vesi ehk H2O ühendab vesinikku ja hapnikku. Molekulaarse vesiniku kujul olevad vesinikuaatomid tuleb sellest ühendist eraldada. See protsess sõltub peamisest, kuid sageli aeglasest etapist: hapniku eraldumise reaktsioonist (OER). OER on see, mis vabastab veest molekulaarse hapniku ja selle reaktsiooni juhtimine on oluline mitte ainult vesiniku tootmiseks, vaid ka mitmesuguste keemiliste protsesside, sealhulgas akudes leiduvate protsesside jaoks.

"Hapniku eraldumise reaktsioon on osa nii paljudest protsessidest, nii et selle rakendatavus on siin üsna lai." — Pietro Papa Lopes, Argonne'i abiteadlane

USA energeetikaministeeriumi (DOE) Argonne'i riikliku labori teadlaste juhitud uuring valgustab perovskiitoksiidide kuju muutvat kvaliteeti, mis on paljulubav materjal avatud töökeskkonna kiirendamiseks. Perovskiitoksiidid hõlmavad mitmeid ühendeid, millel kõigil on sarnane kristalne struktuur. Tavaliselt sisaldavad need A-saidis leelismuldmetalli või lantaniide, nagu La ja Sr, ning B-saidis siirdemetalli, nagu Co, kombineerituna hapnikuga valemis ABO3. Uuring annab ülevaate, mida saaks kasutada uute materjalide kujundamiseks mitte ainult taastuvkütuste tootmiseks, vaid ka energia salvestamiseks.

Perovskiitoksiidid võivad esile kutsuda OER ja need on odavamad kui väärismetallid, nagu iriidium või ruteenium, mis samuti seda tööd teevad. Kuid perovskiitoksiidid ei ole nii aktiivsed (teisisõnu, tõhusad OER-i kiirendamisel) kui need metallid ja kipuvad aeglaselt lagunema.

"Mõistmine, kuidas need materjalid võivad olla aktiivsed ja stabiilsed, oli meie jaoks suur liikumapanev jõud," ütles uuringut juhtinud Argonne'i materjaliteaduse osakonna assistent Pietro Papa Lopes. "Tahtsime uurida nende kahe omaduse vahelist seost ja seda, kuidas see seostub perovskiidi enda omadustega."

Varasemad uuringud on keskendunud perovskiitmaterjalide puisteomadustele ja sellele, kuidas need on seotud OER tegevusega. Teadlased mõtlesid aga, kas loos on midagi enamat. Lõppude lõpuks võib materjali pind, kus see ümbritsevaga reageerib, olla muust täiesti erinev. Selliseid näiteid leidub kõikjal looduses: mõelge poolitatud avokaadole, mis õhuga kohtudes kiiresti pruunistub, kuid seest jääb roheliseks. Perovskiitmaterjalide puhul võib pind, mis muutub lahtiselt erinevaks, omada olulist mõju nende omaduste mõistmisele.

Vee elektrolüüsisüsteemides, mis jagavad vee vesinikuks ja hapnikuks, interakteeruvad perovskiitoksiidid veest ja spetsiaalsetest soolaliikidest valmistatud elektrolüüdiga, luues liidese, mis võimaldab seadmel töötada. Elektrivoolu rakendamisel on see liides vee jagamise protsessi käivitamisel kriitiline. "Materjali pind on hapniku eraldumise reaktsiooni kulgemise kõige olulisem aspekt: kui palju pinget vajate ning kui palju hapnikku ja vesinikku te toodate, " ütles Lopes.

Perovskiitoksiidi pind mitte ainult ei erine ülejäänud materjalist, vaid muutub ka aja jooksul. "Kui perovskiit on elektrokeemilises süsteemis, areneb see välja ja muutub õhukeseks amorfseks kileks, " ütles Lopes. "See pole kunagi tegelikult sama, mis materjal, millest alustate."

Teadlased ühendasid teoreetilised arvutused ja katsed, et teha kindlaks, kuidas perovskiitmaterjali pind OER-i ajal areneb. Et seda täpselt teha, uurisid nad lantaankoobaltoksiidi perovskiiti ja häälestasid seda, dopingeerides lantaani strontsiumiga, reaktiivsema metalliga. Mida rohkem strontsiumi lisati algmaterjalile, seda kiiremini arenes selle pind ja muutus OER-i jaoks aktiivseks - protsess, mida teadlased suutsid jälgida aatomi eraldusvõimega ülekandeelektronmikroskoopia abil. Uurijad leidsid, et strontsiumi lahustumine ja hapnikukadu perovskiidist ajendasid selle amorfse pinnakihi moodustumist, mida selgitas veelgi arvutuslik modelleerimine, mis viidi läbi DOE teadusbüroo keskuse Nanoscale Materials abil.

"Viimane puuduv tükk, et mõista, miks perovskiidid OER-i suhtes aktiivsed olid, oli uurida elektrolüüdis sisalduva väikeste rauakoguste rolli, " ütles Lopes. Sama teadlaste rühm avastas hiljuti, et raua jäljed võivad parandada muude amorfsete oksiidide pindade OER-i. Kui nad tegid kindlaks, et perovskiitpind areneb amorfseks oksiidiks, sai selgeks, miks raud nii oluline on.

"Arvutusuuringud aitavad teadlastel mõista reaktsioonimehhanisme, mis hõlmavad nii perovskiidi pinda kui ka elektrolüüti," ütles Argonne'i füüsik ja uuringu kaasautor Peter Zapol. "Keskendusime reaktsioonimehhanismidele, mis juhivad nii perovskiitmaterjalide aktiivsust kui ka stabiilsustrende. Seda ei tehta tavaliselt arvutusuuringutes, mis keskenduvad ainult tegevuse eest vastutavatele reaktsioonimehhanismidele.

Uuring näitas, et perovskiitoksiidi pind arenes koobaltirikkaks amorfseks kileks, mille paksus on vaid paar nanomeetrit. Kui elektrolüüdis oli rauda, aitas raud OER-i kiirendada, samal ajal kui koobaltirikkal kile oli rauda stabiliseeriv toime, hoides selle pinnal aktiivsena.

Tulemused viitavad uutele potentsiaalsetele strateegiatele perovskiitmaterjalide kujundamiseks - võib ette kujutada kahekihilise süsteemi loomist, ütles Lopes, mis on veelgi stabiilsem ja suudab OER-i edendada.

"OER on osa nii paljudest protsessidest, nii et selle rakendatavus on siin üsna lai," ütles Lopes. "Materjalide dünaamika ja nende mõju pinnaprotsessidele mõistmine on see, kuidas saame muuta energia muundamise ja salvestamise süsteemid paremaks, tõhusamaks ja taskukohasemaks."

# # #

Uuringut kirjeldatakse ajakirjas Journal of the American Chemical Society 24. veebruaril kaanel avaldatud ja esile tõstetud artiklis "Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution". Lisaks Lopesile ja Zapolile on kaasautoriteks Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic ja John Mitchell Argonne'is; Xue Rui ja Robert Klie Illinoisi ülikoolis Chicagos; ja Haiying He Valparaiso ülikoolis. Seda uuringut rahastas DOE põhienergiateaduste büroo.

####

Argonne'i riikliku labori kohta
Argonne'i riiklik labor otsib lahendusi pakilistele riiklikele teaduse ja tehnoloogia probleemidele. Riigi esimene riiklik labor Argonne viib läbi tipptasemel alus- ja rakendusteaduslikke uuringuid peaaegu kõigis teadusvaldkondades. Argonne'i teadlased teevad tihedat koostööd sadade ettevõtete, ülikoolide ning föderaal-, riigi- ja munitsipaalasutuste teadlastega, et aidata neil lahendada nende konkreetseid probleeme, edendada Ameerika teadusjuhtimist ja valmistada riiki ette paremaks tulevikuks. Rohkem kui 60 riigist pärit töötajatega Argonne'i haldab UChicago Argonne, LLC USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo jaoks.

Argonne'i nanomõõtmeliste materjalide keskusest

Nanomastaabis materjalide keskus on üks viiest DOE nanoskaala teadusuuringute keskusest, mis on peamised riiklikud kasutajarajatised interdistsiplinaarsete uuringute jaoks nanomõõtmetes, mida toetab DOE teadusbüroo. Koos moodustavad NSRC-d täiendavate rajatiste komplekti, mis pakuvad teadlastele tipptasemel võimalusi nanomõõtmeliste materjalide valmistamiseks, töötlemiseks, iseloomustamiseks ja modelleerimiseks ning moodustavad riikliku nanotehnoloogiaalgatuse suurima infrastruktuuriinvesteeringu. NSRC-d asuvad DOE Argonne'i, Brookhaveni, Lawrence Berkeley, Oak Ridge'i, Sandia ja Los Alamose riiklikes laborites. DOE NSRC-de kohta lisateabe saamiseks külastage veebisaiti https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

USA energeetikaministeeriumi teadusamet on Ameerika Ühendriikides suurim füüsikaliste teaduste alusuuringute toetaja ja tegeleb meie aja kõige pakilisemate väljakutsetega. Lisateabe saamiseks külastage https://energy.gov/science .

Lisateabe saamiseks klõpsake nuppu siin

Kontaktid:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Autoriõigus © Argonne National Laboratory

Kui teil on kommentaar, palun Saada sõnum meile.

Sisu täpsuse eest vastutavad ainuüksi uudisteväljaannete väljaandjad, mitte 7th Wave, Inc. või Nanotechnology Now.

Järjehoidja: