راه حل های بهتر برای ساخت هیدروژن ممکن است فقط در سطح باشد

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

صفحه اصلی > رسانه ها و مطبوعات راه حل های بهتر برای ساخت هیدروژن ممکن است فقط در سطح قرار داشته باشند

فعل و انفعالات منحصر به فرد بین اکسید پروسکایت، لایه سطحی در حال تغییر آن و گونه های آهنی که در جهت OER فعال هستند، مسیر جدیدی را برای طراحی مواد فعال و پایدار هموار می کند و ما را یک قدم به تولید هیدروژن سبز کارآمد و مقرون به صرفه نزدیک می کند. CREDIT آزمایشگاه ملی آرگون

چکیده:
آینده انرژی پاک که توسط سوخت هیدروژنی به حرکت در می آید به کشف چگونگی تقسیم قابل اطمینان و کارآمد آب بستگی دارد. این به این دلیل است که، اگرچه هیدروژن فراوان است، اما باید از ماده دیگری که حاوی آن است مشتق شود - و امروزه، آن ماده اغلب گاز متان است. دانشمندان به دنبال راه هایی برای جداسازی این عنصر حامل انرژی بدون استفاده از سوخت های فسیلی هستند. به عنوان مثال، این امر راه را برای خودروهایی با سوخت هیدروژنی هموار می کند که فقط آب و هوای گرم را در لوله اگزوز ساطع می کنند.

راه حل های بهتر برای ساخت هیدروژن ممکن است فقط در سطح باشد

Argonne، IL | ارسال شده در 9 آوریل 2021

آب یا H2O هیدروژن و اکسیژن را یکی می کند. اتم های هیدروژن به شکل هیدروژن مولکولی باید از این ترکیب جدا شوند. این فرآیند به یک مرحله کلیدی - اما اغلب آهسته - بستگی دارد: واکنش تکامل اکسیژن (OER). OER همان چیزی است که اکسیژن مولکولی را از آب آزاد می کند و کنترل این واکنش نه تنها برای تولید هیدروژن بلکه برای انواع فرآیندهای شیمیایی، از جمله مواردی که در باتری ها یافت می شود، مهم است.

"واکنش تکامل اکسیژن بخشی از بسیاری از فرآیندها است، بنابراین کاربرد در اینجا بسیار گسترده است." - پیترو پاپا لوپس، دستیار دانشمند آرگون

مطالعه‌ای که توسط دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده انجام شد، کیفیت تغییر شکل اکسیدهای پروسکایت را نشان می‌دهد، یک نوع ماده امیدوارکننده برای افزایش سرعت OER. اکسیدهای پروسکایت طیفی از ترکیبات را در بر می گیرد که همگی ساختار کریستالی مشابهی دارند. آنها معمولاً حاوی یک فلز خاکی قلیایی یا لانتانیدهایی مانند La و Sr در سایت A و یک فلز واسطه مانند Co در سایت B هستند که با اکسیژن در فرمول ABO3 ترکیب شده است. این تحقیق بینشی را به دست می دهد که می تواند برای طراحی مواد جدید نه تنها برای ساخت سوخت های تجدیدپذیر بلکه همچنین برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

اکسیدهای پروسکایت می توانند OER را ایجاد کنند و نسبت به فلزات گرانبها مانند ایریدیوم یا روتنیم که این کار را نیز انجام می دهند، ارزان تر هستند. اما اکسیدهای پروسکایت به اندازه این فلزات فعال (به عبارت دیگر، در تسریع OER کارآمد) نیستند و به آرامی تجزیه می شوند.

پیترو پاپا لوپس، دستیار دانشمند در بخش علوم مواد Argonne که این مطالعه را رهبری کرد، گفت: درک اینکه چگونه این مواد می توانند فعال و پایدار باشند، نیروی محرکه بزرگی برای ما بود. ما می خواستیم رابطه بین این دو ویژگی و چگونگی ارتباط آن با خواص خود پروسکایت را بررسی کنیم.

تحقیقات قبلی بر روی خواص عمده مواد پروسکایت و نحوه ارتباط آنها با فعالیت OER متمرکز شده است. با این حال، محققان متعجب بودند که آیا این داستان چیز بیشتری دارد یا خیر. از این گذشته، سطح یک ماده، جایی که با محیط اطراف خود واکنش نشان می دهد، می تواند کاملاً متفاوت از بقیه باشد. نمونه هایی از این دست در همه جا در طبیعت وجود دارد: آووکادویی نصف شده را در نظر بگیرید که در جایی که با هوا برخورد می کند به سرعت قهوه ای می شود اما داخل آن سبز باقی می ماند. برای مواد پروسکایتی، سطحی که با توده متفاوت می شود، می تواند پیامدهای مهمی برای درک ما از خواص آنها داشته باشد.

در سیستم‌های الکترولیز آب، که آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کنند، اکسیدهای پروسکایت با یک الکترولیت ساخته شده از آب و گونه‌های نمک خاص برهمکنش می‌کنند و رابطی ایجاد می‌کنند که به دستگاه اجازه کار می‌دهد. از آنجایی که جریان الکتریکی اعمال می شود، این رابط در شروع فرآیند تقسیم آب بسیار مهم است. لوپس گفت: "سطح ماده مهمترین جنبه چگونگی انجام واکنش تکامل اکسیژن است: به چه مقدار ولتاژ نیاز دارید و چه مقدار اکسیژن و هیدروژن تولید خواهید کرد."

سطح اکسید پروسکایت نه تنها با بقیه مواد متفاوت است، بلکه در طول زمان نیز تغییر می کند. لوپس گفت: هنگامی که در یک سیستم الکتروشیمیایی قرار می گیرد، سطح پروسکایت تکامل می یابد و به یک لایه نازک و بی شکل تبدیل می شود. "این واقعاً هرگز مانند موادی نیست که با آن شروع می کنید."

محققان محاسبات نظری و آزمایش‌ها را برای تعیین چگونگی تکامل سطح یک ماده پروسکایت در طول OER ترکیب کردند. برای انجام این کار با دقت، پروسکایت اکسید کبالت لانتانیم را مورد مطالعه قرار دادند و آن را با "دوپینگ" لانتانیم با استرانسیم، یک فلز واکنش پذیرتر، تنظیم کردند. هر چه استرانسیم بیشتری به ماده اولیه اضافه شود، سطح آن سریع‌تر تکامل یافته و برای OER فعال می‌شود - فرآیندی که محققان توانستند در وضوح اتمی با میکروسکوپ الکترونی عبوری مشاهده کنند. محققان دریافتند که انحلال استرانسیم و از دست دادن اکسیژن از پروسکایت باعث تشکیل این لایه سطحی آمورف می شود که با مدل سازی محاسباتی انجام شده با استفاده از مرکز مواد در مقیاس نانو، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE توضیح داده شد.

لوپس گفت: "آخرین قطعه گم شده برای درک اینکه چرا پروسکایت ها نسبت به OER فعال هستند، بررسی نقش مقادیر کمی آهن موجود در الکترولیت بود." همین گروه از محققان اخیراً کشف کردند که ردپای آهن می تواند OER را در سایر سطوح اکسید آمورف بهبود بخشد. هنگامی که آنها تشخیص دادند که سطح پروسکایت به یک اکسید آمورف تبدیل می شود، سپس مشخص شد که چرا آهن اینقدر مهم است.

پیتر زاپول، فیزیکدان در Argonne و یکی از نویسندگان مطالعه، می گوید: «مطالعات محاسباتی به دانشمندان کمک می کند مکانیسم های واکنشی را که هم سطح پروسکایت و هم الکترولیت را درگیر می کند، درک کنند. ما روی مکانیسم‌های واکنشی تمرکز کردیم که هم فعالیت و هم روند پایداری مواد پروسکایت را هدایت می‌کنند. این معمولاً در مطالعات محاسباتی انجام نمی‌شود، که تمایل دارند فقط بر مکانیسم‌های واکنش مسئول فعالیت تمرکز کنند.

این مطالعه نشان داد که سطح اکسید پروسکایت به یک لایه آمورف غنی از کبالت با ضخامت تنها چند نانومتر تبدیل شده است. هنگامی که آهن در الکترولیت وجود داشت، آهن به تسریع OER کمک کرد، در حالی که لایه غنی از کبالت اثر تثبیت کننده روی آهن داشت و آن را در سطح فعال نگه می داشت.

نتایج استراتژی‌های بالقوه جدیدی را برای طراحی مواد پروسکایتی نشان می‌دهند - به گفته لوپس، می‌توان ایجاد یک سیستم دو لایه را تصور کرد که حتی پایدارتر و قادر به ترویج OER است.

لوپس گفت: "OER بخشی از بسیاری از فرآیندها است، بنابراین کاربرد در اینجا بسیار گسترده است." درک دینامیک مواد و تأثیر آنها بر فرآیندهای سطحی این است که چگونه می توانیم سیستم های تبدیل و ذخیره انرژی را بهتر، کارآمدتر و مقرون به صرفه کنیم.

###

این مطالعه در مقاله ای که در 24 فوریه روی جلد مجله انجمن شیمی آمریکا، "محل های فعال پویا پایدار از تکامل سطحی مواد پروسکایت در طول تکامل اکسیژن" منتشر شده و برجسته شده است. علاوه بر لوپس و زاپول، دونگ یانگ چانگ، هونگ ژنگ، پدرو فاریناتزو برگامو دیاس مارتینز، دوسان استرمچنیک، وجیسلاو استامنکویچ، نناد مارکوویچ و جان میچل در آرگون می‌توانند از نویسندگان همکار باشند. Xue Rui و Robert Klie در دانشگاه Illinois در شیکاگو. و هایینگ او در دانشگاه والپارایسو. این تحقیق توسط دفتر علوم پایه انرژی DOE تأمین مالی شده است.

####

درباره آزمایشگاه ملی آرگون
آزمایشگاه ملی آرگون به دنبال راه حلی برای مشکلات ملی در علم و فناوری است. اولین آزمایشگاه ملی کشور، Argonne، تحقیقات علمی پایه و کاربردی پیشرو را تقریباً در هر رشته علمی انجام می دهد. محققان Argonne از نزدیک با محققین صدها شرکت، دانشگاه، و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری می کنند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص خود را حل کنند، رهبری علمی آمریکا را پیش ببرند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. با کارکنان بیش از 60 کشور، Argonne توسط UChicago Argonne، LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده مدیریت می شود.

درباره مرکز مواد نانومقیاس Argonne

مرکز مواد در مقیاس نانو یکی از پنج مرکز تحقیقات علوم نانومقیاس DOE است که امکانات کاربر ملی برتر برای تحقیقات بین رشته‌ای در مقیاس نانو است که توسط دفتر علوم DOE پشتیبانی می‌شود. NSRCها با هم مجموعه‌ای از تسهیلات تکمیلی را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، شناسایی و مدل‌سازی مواد در مقیاس نانو در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگترین سرمایه‌گذاری زیرساختی طرح ملی نانوتکنولوژی را تشکیل می‌دهند. NSRCها در آزمایشگاه‌های ملی آرگون، بروکهاون، لارنس برکلی، اوک ریج، ساندیا و لوس آلاموس DOE واقع شده‌اند. برای اطلاعات بیشتر در مورد NSRC های DOE، لطفاً مراجعه کنید https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و در تلاش است تا به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما رسیدگی کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/science .

برای اطلاعات بیشتر، لطفا کلیک کنید اینجا کلیک نمایید

تماس با ما:
دایانا اندرسون
630-252-4593

@argonne

حق چاپ © آزمایشگاه ملی آرگون

اگر نظری دارید بفرمایید تماس با ما ما.

مسئولیت صحت محتوا به عهده صادرکنندگان انتشارات خبری است، نه موج هفتم، شرکت یا نانوتکنولوژی اکنون.

نشانک: