Uuring paljastab reaktsiooni paljude taastuvenergia tehnoloogiate keskmes

16. jaanuar 2024 (Nanowerki uudised) Peamine keemiline reaktsioon – mille käigus prootonite liikumine elektroodi pinna ja elektrolüüdi vahel juhib elektrivoolu – on paljude energiatehnoloogiate, sealhulgas kütuseelementide ja vesinikgaasi tootmiseks kasutatavate elektrolüüside jaoks kriitiline samm. MIT-i keemikud on esimest korda üksikasjalikult kaardistanud, kuidas need prootoniga seotud elektronide ülekanded elektroodi pinnal toimuvad. Nende tulemused võivad aidata teadlastel kavandada tõhusamaid kütuseelemente, akusid või muid energiatehnoloogiaid. "Meie edusammud selles artiklis olid nende elektronide ja prootonite seostumispinna uurimine ja mõistmine, mis on oluline katalüütiliste reaktsioonide jaoks, mis on olulised energia muundamise seadmete või katalüütiliste reaktsioonide kontekstis," ütleb Yogesh Surendranath, MIT-i keemia ja keemiatehnika professor ning uuringu vanemautor. Nende leidude hulgas suutsid teadlased täpselt jälgida, kuidas elektroodi ümbritseva elektrolüüdi lahuse pH muutused mõjutavad prootoni liikumise kiirust ja elektronide voolu elektroodis. MIT-i magistrant Noah Lewis on täna ilmuva artikli juhtiv autor Looduse keemia ("Molekulaarse taseme mehaaniline raamistik pindadevahelise prootoniga seotud elektronide ülekande kineetika jaoks"). Ryan Bisbey, endine MIT-i järeldoktor; Karl Westendorff, MIT magistrant; ja Yale'i ülikooli teadur Alexander Soudackov on samuti artikli autorid. Elektripotentsiaali rakendamine põhjustab prootoni kandumise hüdrooniumioonilt (paremal) elektroodi pinnale. Kasutades molekulaarselt määratletud prootonite sidumissaitidega elektroode, töötasid MIT-i teadlased välja nende liidese prootoniga seotud elektronide ülekandereaktsioonide üldise mudeli. (Pilt: teadlaste loal)

Prootonite läbimine

Prootoniga seotud elektronide ülekanne toimub siis, kui molekul, sageli vesi või hape, kannab prootoni üle teisele molekulile või elektroodi pinnale, mis stimuleerib prootoni aktseptorit ka elektroni endasse võtma. Seda tüüpi reaktsiooni on kasutatud paljude energiarakenduste jaoks. "Need prootoniga seotud elektronide ülekandereaktsioonid on üldlevinud. Need on sageli katalüütiliste mehhanismide võtmeetapid ja on eriti olulised energia muundamise protsesside jaoks, nagu vesiniku tootmine või kütuseelementide katalüüs, "ütleb Surendranath. Vesinikku genereerivas elektrolüsaatoris kasutatakse seda lähenemist prootonite eemaldamiseks veest ja prootonitele elektronide lisamiseks gaasilise vesiniku moodustamiseks. Kütuseelemendis tekib elekter, kui prootonid ja elektronid eemaldatakse gaasilisest vesinikust ja lisatakse hapnikule, et moodustada vesi. Prootoniga seotud elektronide ülekanne on levinud paljudes muudes keemilistes reaktsioonides, näiteks süsinikdioksiidi redutseerimisel (süsinikdioksiidi muundamine keemilisteks kütusteks elektronide ja prootonite lisamise teel). Teadlased on palju õppinud selle kohta, kuidas need reaktsioonid toimuvad, kui prootoni aktseptorid on molekulid, sest nad suudavad täpselt kontrollida iga molekuli struktuuri ja jälgida, kuidas elektronid ja prootonid nende vahel liiguvad. Kui aga elektroodi pinnal toimub prootoniga sidestatud elektronide ülekanne, on protsessi palju keerulisem uurida, kuna elektroodide pinnad on tavaliselt väga heterogeensed ja paljude erinevate kohtadega, millega prooton võib potentsiaalselt seonduda. Selle takistuse ületamiseks töötas MIT-i meeskond välja viisi elektroodipindade kujundamiseks, mis annab neile palju täpsema kontrolli elektroodi pinna koostise üle. Nende elektroodid koosnevad grafeenilehtedest, mille pinnale on kinnitatud orgaanilisi rõngast sisaldavaid ühendeid. Iga sellise orgaanilise molekuli lõpus on negatiivselt laetud hapnikuioon, mis suudab vastu võtta ümbritsevast lahusest prootoneid, mis põhjustab elektronide voolu ahelast grafiitpinnale. "Me saame luua elektroodi, mis ei koosne paljudest kohtadest, vaid on ühtne massiiv ühte tüüpi väga täpselt määratletud saite, mis võivad kõik siduda prootoneid sama afiinsusega," ütleb Surendranath. "Kuna meil on need väga täpselt määratletud saidid, aitas see meil teha nende protsesside kineetikat." Seda süsteemi kasutades suutsid teadlased mõõta elektrivoolu voolu elektroodidele, mis võimaldas neil arvutada prootoni ülekande kiirust hapniku ioonile pinnal tasakaaluolekus – seisukorras, mil prootonite annetamise kiirus pinnale. ja prootonite ülekanne pinnalt tagasi lahusesse on võrdsed. Nad leidsid, et ümbritseva lahuse pH mõjutab seda kiirust märkimisväärselt: kõrgeimad määrad esinesid pH-skaala äärmistes otstes - pH 0, kõige happelisem ja pH 14, kõige aluselisem. Nende tulemuste selgitamiseks töötasid teadlased välja mudeli, mis põhines kahel võimalikul reaktsioonil, mis võivad tekkida elektroodil. 3O+), mis on tugevalt happelistes lahustes suures kontsentratsioonis, viivad pinnale prootoneid hapnikuioone, tekitades vett. Teises toimetab vesi prootoneid pinnale hapnikuioonidesse, tekitades hüdroksiidiioone (OH-), mis on tugevalt aluselistes lahustes suures kontsentratsioonis. Kuid kiirus pH 0 juures on umbes neli korda kiirem kui kiirus pH 14 juures, osaliselt seetõttu, et hüdronium annab prootoneid ära kiiremini kui vesi.

Reaktsioon uuesti läbimõtlemiseks

Teadlased avastasid oma üllatuseks ka, et kahe reaktsiooni kiirus on võrdne mitte neutraalse pH 7 juures, kus hüdrooniumi ja hüdroksiidi kontsentratsioonid on võrdsed, vaid pH väärtusel 10, kus hüdroksiidioonide kontsentratsioon on 1 miljon korda suurem kui hüdrooniumil. Mudel viitab sellele, et edasine reaktsioon, mis hõlmab prootonite annetamist hüdroniumist või veest, aitab kaasa üldisele kiirusele rohkem kui tagurpidi reaktsioon, mis hõlmab prootonite eemaldamist vee või hüdroksiidiga. Olemasolevad mudelid selle kohta, kuidas need reaktsioonid elektroodide pindadel toimuvad, eeldavad, et edasi- ja tagasisuunalised reaktsioonid aitavad kaasa üldisele kiirusele võrdselt, nii et uued leiud viitavad sellele, et need mudelid võivad vajada uuesti läbivaatamist, väidavad teadlased. "See on vaikeeeldus, et edasi- ja tagasireaktsioonid mõjutavad reaktsioonikiirust võrdselt, " ütleb Surendranath. "Meie leid on tõesti silmiavav, sest see tähendab, et eeldus, et inimesed analüüsivad kõike alates kütuseelementide katalüüsist kuni vesiniku eraldumiseni, võib olla midagi, mida peame uuesti läbi vaatama." Teadlased kasutavad nüüd oma eksperimentaalset seadistust, et uurida, kuidas erinevat tüüpi ioonide lisamine elektroodi ümbritsevasse elektrolüüdi lahusesse võib kiirendada või aeglustada prootoniga seotud elektronide voolu kiirust. "Meie süsteemiga teame, et meie saidid on püsivad ega mõjuta üksteist, nii et saame lugeda, mida lahenduse muutus pinnale reageerimisele teeb, " ütleb Lewis.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64425.php