مطالعه واکنشی را در قلب بسیاری از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر نشان می‌دهد

16 ژانویه 2024 (اخبار نانوورکیک واکنش شیمیایی کلیدی - که در آن حرکت پروتون ها بین سطح الکترود و الکترولیت جریان الکتریکی را به حرکت در می آورد - یک گام مهم در بسیاری از فناوری های انرژی، از جمله سلول های سوختی و الکترولیزهای مورد استفاده برای تولید گاز هیدروژن است. برای اولین بار، شیمیدانان MIT با جزئیات نحوه انجام این انتقال الکترون جفت شده با پروتون در سطح الکترود را ترسیم کردند. نتایج آنها می تواند به محققان در طراحی سلول های سوختی کارآمدتر، باتری ها یا سایر فناوری های انرژی کمک کند. یوگش سورندرانات می گوید: "پیشرفت ما در این مقاله، مطالعه و درک ماهیت چگونگی جفت شدن این الکترون ها و پروتون ها در یک مکان سطحی بود که برای واکنش های کاتالیزوری که در زمینه دستگاه های تبدیل انرژی یا واکنش های کاتالیزوری مهم هستند، مرتبط است." استاد شیمی و مهندسی شیمی در MIT و نویسنده ارشد این مطالعه. در میان یافته‌های خود، محققان توانستند دقیقاً ردیابی کنند که چگونه تغییرات در pH محلول الکترولیت اطراف الکترود بر سرعت حرکت پروتون و جریان الکترون درون الکترود تأثیر می‌گذارد. نوح لوئیس، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT، نویسنده اصلی این مقاله است که امروز در این مقاله منتشر می شود شیمی طبیعت ("یک چارچوب مکانیکی در سطح مولکولی برای سینتیک انتقال الکترون جفت شده با پروتون سطحی"). رایان بیسبی، فوق دکترای سابق MIT؛ کارل وستندورف، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT؛ و الکساندر سوداکوف، دانشمند محقق در دانشگاه ییل، نیز نویسندگان این مقاله هستند. اعمال پتانسیل الکتریکی باعث می شود که پروتون از یون هیدرونیوم (در سمت راست) به سطح الکترود منتقل شود. محققان MIT با استفاده از الکترودهایی با مکان های اتصال پروتون تعریف شده مولکولی، یک مدل کلی برای این واکنش های انتقال الکترون جفت شده با پروتون سطحی ایجاد کردند. (تصویر: با حسن نیت از محققین)

عبور پروتون ها

انتقال الکترون جفت شده با پروتون زمانی اتفاق می افتد که یک مولکول، اغلب آب یا اسید، یک پروتون را به مولکول دیگر یا به سطح الکترود منتقل می کند، که گیرنده پروتون را تحریک می کند تا یک الکترون را نیز بگیرد. این نوع واکنش برای بسیاری از کاربردهای انرژی مهار شده است. این واکنش های انتقال الکترون جفت شده با پروتون در همه جا وجود دارد. Surendranath می گوید: آنها اغلب گام های کلیدی در مکانیسم های کاتالیزوری هستند و به ویژه برای فرآیندهای تبدیل انرژی مانند تولید هیدروژن یا کاتالیز پیل سوختی مهم هستند. در یک الکترولیز مولد هیدروژن، از این روش برای حذف پروتون ها از آب و افزودن الکترون به پروتون ها برای تشکیل گاز هیدروژن استفاده می شود. در یک پیل سوختی، زمانی که پروتون ها و الکترون ها از گاز هیدروژن خارج شده و به اکسیژن اضافه می شوند تا آب تشکیل شود، الکتریسیته تولید می شود. انتقال الکترون جفت شده با پروتون در بسیاری از انواع دیگر واکنش های شیمیایی رایج است، به عنوان مثال، کاهش دی اکسید کربن (تبدیل دی اکسید کربن به سوخت های شیمیایی با افزودن الکترون ها و پروتون ها). دانشمندان چیزهای زیادی در مورد چگونگی وقوع این واکنش ها هنگامی که گیرنده های پروتون مولکول هستند، یاد گرفته اند، زیرا آنها می توانند ساختار هر مولکول را دقیقاً کنترل کنند و نحوه عبور الکترون ها و پروتون ها را بین آنها مشاهده کنند. با این حال، زمانی که انتقال الکترون جفت شده با پروتون در سطح یک الکترود اتفاق می افتد، مطالعه این فرآیند بسیار دشوارتر است زیرا سطوح الکترود معمولاً بسیار ناهمگن هستند، با مکان های مختلفی که یک پروتون به طور بالقوه می تواند به آنها متصل شود. برای غلبه بر این مانع، تیم MIT راهی برای طراحی سطوح الکترود ایجاد کرد که به آنها کنترل بسیار دقیق تری بر ترکیب سطح الکترود می دهد. الکترودهای آنها از ورقه‌های گرافن با ترکیبات ارگانیک و حلقه‌دار متصل به سطح تشکیل شده است. در انتهای هر یک از این مولکول‌های آلی یک یون اکسیژن با بار منفی وجود دارد که می‌تواند پروتون‌های محلول اطراف را بپذیرد که باعث می‌شود یک الکترون از مدار به سطح گرافیتی جریان یابد. Surendranath می‌گوید: «ما می‌توانیم الکترودی ایجاد کنیم که از تنوع گسترده‌ای از مکان‌ها تشکیل نشده باشد، اما آرایه‌ای یکنواخت از یک نوع مکان‌های کاملاً تعریف‌شده است که هرکدام می‌توانند یک پروتون را با میل ترکیبی یکسان به هم متصل کنند». از آنجایی که ما این سایت‌های کاملاً تعریف‌شده را داریم، چیزی که به ما اجازه انجام داد این بود که واقعاً سینتیک این فرآیندها را آشکار کنیم.» با استفاده از این سیستم، محققان توانستند جریان الکتریکی به الکترودها را اندازه‌گیری کنند، که به آنها امکان می‌داد سرعت انتقال پروتون به یون اکسیژن در سطح را در حالت تعادل محاسبه کنند - حالتی که نرخ‌های اهدای پروتون به سطح و انتقال پروتون به محلول از سطح برابر است. آنها دریافتند که pH محلول اطراف تأثیر قابل توجهی بر این سرعت دارد: بالاترین میزان در انتهای مقیاس pH رخ می دهد - PH 0، اسیدی ترین، و pH 14، اساسی ترین. برای توضیح این نتایج، محققان مدلی را بر اساس دو واکنش احتمالی که می تواند در الکترود رخ دهد، توسعه دادند. 3O+) که غلظت بالایی در محلول های اسیدی قوی دارند، پروتون ها را به یون های اکسیژن سطح می رسانند و آب تولید می کنند. در مرحله دوم، آب پروتون‌ها را به یون‌های اکسیژن سطح می‌رساند و یون‌های هیدروکسید (OH) تولید می‌کند.-) که در محلول های به شدت بازی در غلظت بالایی هستند. با این حال، سرعت در pH 0 حدود چهار برابر سریعتر از سرعت pH 14 است، تا حدی به این دلیل که هیدرونیوم پروتون‌ها را با سرعت بیشتری نسبت به آب تولید می‌کند.

واکنشی برای تجدید نظر

محققان همچنین در کمال تعجب کشف کردند که این دو واکنش سرعت برابری دارند نه در pH خنثی 7، که غلظت هیدرونیوم و هیدروکسید برابر است، بلکه در pH 10، جایی که غلظت یون‌های هیدروکسید 1 میلیون برابر هیدرونیوم است. این مدل نشان می‌دهد که این به این دلیل است که واکنش رو به جلو شامل اهدای پروتون از هیدرونیوم یا آب نسبت به واکنش معکوس که شامل حذف پروتون توسط آب یا هیدروکسید می‌شود، به سرعت کلی کمک می‌کند. به گفته محققان، مدل‌های موجود از نحوه انجام این واکنش‌ها در سطوح الکترود فرض می‌کنند که واکنش‌های رو به جلو و عقب به طور مساوی در سرعت کلی نقش دارند، بنابراین یافته‌های جدید نشان می‌دهد که این مدل‌ها ممکن است نیاز به بازنگری داشته باشند. Surendranath می‌گوید: «این فرض پیش‌فرض است، که واکنش‌های رو به جلو و معکوس به طور مساوی در سرعت واکنش نقش دارند. «یافته‌های ما واقعاً چشم‌نواز است، زیرا به این معناست که این فرضیه که مردم برای تجزیه و تحلیل همه چیز از کاتالیز پیل سوختی گرفته تا تکامل هیدروژن استفاده می‌کنند، ممکن است چیزی باشد که ما نیاز به بررسی مجدد داریم.» محققان اکنون از تنظیمات آزمایشی خود برای بررسی این موضوع استفاده می کنند که چگونه افزودن انواع مختلف یون به محلول الکترولیت اطراف الکترود ممکن است سرعت جریان الکترون جفت شده با پروتون را تسریع یا کاهش دهد. لوئیس می‌گوید: «با سیستم خود، می‌دانیم که سایت‌های ما ثابت هستند و بر یکدیگر تأثیر نمی‌گذارند، بنابراین می‌توانیم بخوانیم که تغییر در محلول چه تأثیری بر واکنش در سطح دارد.»

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64425.php