استفاده از فرود نرم یونی برای حل مسائل انرژی سخت

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

حسن نیت ارائه میدهد آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام.
By بث موندی، PNNL

هر فناوری که جهان ما را اداره می کند به انرژی نیاز دارد. انرژی باید ذخیره شود و برای تامین برق دستگاه های الکترونیکی و ساختمان های سبک قابل دسترسی باشد. طیف وسیعی از دستگاه هایی که نیاز به انرژی در صورت تقاضا دارند، منجر به توسعه استراتژی های متعددی برای ذخیره انرژی شده است.

بسیاری ذخیره انرژی دستگاه ها فرآیندهای شیمیایی و الکتریکی را برای تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر ترکیب می کنند. این فرآیند منجر به یک رابط می شود- محل عمل که در آن دو ماده مختلف به هم می رسند و تغییر شکل می دهند. برای ساخت دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمدتر و ماندگارتر، دانشمندان باید آنچه را که در این رابط‌ها و نزدیک آن‌ها اتفاق می‌افتد، کنترل کنند. اما این کار آسانی نیست.

گفت: "بیشتر تحقیقات یک رابط پیچیده ایجاد می کنند و سپس از تکنیک های پیشرفته شخصیت پردازی برای درک آن استفاده می کنند." گرانت جانسون، یک شیمیدان at آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام (PNNL) که برنامه علوم جدایی را رهبری می کند. در مقایسه، ما کل رابط را نمی سازیم. ما هر قطعه را جداگانه آماده می‌کنیم که به ما امکان می‌دهد تک تک اجزا و نحوه شکل‌گیری آنها را مطالعه کنیم.»

رویکرد آنها فرود نرم یونی نامیده می شود. این تکنیک به دانشمندان اجازه می‌دهد ببینند که چگونه مولکول‌ها یا یون‌های باردار منفرد که در رابط‌های ذخیره انرژی واقعی وجود دارند با سطح الکترود و پتانسیل الکتریکی برهم‌کنش می‌کنند. این رابط های نامرتب موجود در سیستم های ذخیره انرژی واقعی را به سیستم های جداگانه با تنها یک نوع یون و سطح ساده می کند. سپس محققان می توانند نقش هر مولکول در ایجاد رابط را بررسی کنند.

تنظیمات سفارشی به محققان اجازه می دهد تا آزمایش های فرود نرم یونی را انجام دهند. (عکس از آندریا استار | آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام)

یون های فرود نرم برای مطالعات هدفمند در ذخیره سازی انرژی

فرود نرم یونی محققین را قادر می سازد تا یک نوع یون واحد و خاص را بر اساس بار و اندازه انتخاب کنند. سپس یون های انتخاب شده به آرامی روی یک سطح رسانا فرود می آیند. این فرآیند یک مشخصه واسط دقیقاً تعریف شده از واکنش های مولکول های انتخاب شده و مواد سطحی را آماده می کند.

هنگامی که رابط آماده شد، محققان ممکن است از ابزارهای دیگری برای بررسی نحوه تعامل سطح و مولکول استفاده کنند. این خصوصیات اطلاعاتی را در مورد ماهیت پیوندهای شیمیایی شکسته و تشکیل شده در سطح مشترک نشان می دهد.

سیستم‌های لیتیوم یون، که انرژی بسیاری از وسایل الکترونیکی ما را تامین می‌کنند، ممکن است آشناترین دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی باشند. با این حال، تیم تحقیقاتی PNNL در حال بررسی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمدتر و بالقوه متحول‌کننده‌تر است. اینها شامل یونهای لیتیوم-گوگرد، جامدات مبتنی بر لیتیوم و حرکت فراتر از شیمی لیتیوم است. برای این تحقیق، تیم با محلول الکترولیتی از مولکول‌ها و یون‌های منتخب نرم، مانند سولفیدهای مختلف لیتیوم، روی فلز لیتیوم با سطح غنی از اکسیژن شروع به کار کرد.

اخیرا کشف کردند یکی از راه‌هایی است که یون‌های لیتیوم-گوگرد با بار منفی نقش کلیدی در عملکرد این دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی جدید در رابط‌ها دارند. آن‌ها دریافتند که یون‌ها تحت واکنش‌های متعددی قرار می‌گیرند که به جای لیتیوم، بر شیمی احیا و اکسیداسیون گوگرد متمرکز است.

این یافته‌ها ماهیت پیوندهای سولفور-اکسیژن و مولکول‌های واکنش‌دهنده مرتبط مشاهده شده در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی را توضیح می‌دهند. کار فرود نرم یونی توضیحی در سطح مولکولی برای اینکه چرا اشکال اکسید شده گوگرد در رابط های لیتیوم-گوگرد وجود دارد ارائه می دهد. درک دقیق چگونگی تبدیل این یون های مهم به مواد جامد در رابط مدل به محققان کمک می کند تا رابط های پیچیده در دستگاه های واقعی را تجزیه کنند.

جانسون می‌گوید: «هر بار که بررسی می‌کنیم که چگونه یک نوع مولکول خاص واکنش نشان می‌دهد، چیز جدیدی یاد می‌گیریم که دانش جمعی در مورد تشکیل رابط ایجاد می‌کند.

نگاهی به زیرلایه پس از فرود نرم یونی. (عکس از آندریا استار | آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام)

درک رابط های درگیر در ذخیره انرژی

در ابتدا، محققان PNNL قابلیت فرود نرم یونی خود را با پشتیبانی از برنامه علوم جداسازی علوم پایه انرژی وزارت انرژی (DOE) توسعه دادند. از طریق آن برنامه، مهندس شیمی ونکی پرابهاکاران از فرود نرم یونی برای مطالعه رابط های الکتروشیمیایی فعال برای جداسازی استفاده کرد. با این حال، او می خواست ببیند این تکنیک فراتر از سیستم های جداسازی چه کاری می تواند انجام دهد. جلسه ای با فیزیکدان ویجی موروگسان چند سال پیش باعث ورود فرود نرم یونی به دنیای ذخیره انرژی شد. Murugesan منجر به یک منطقه تمرکز برای مرکز مشترک تحقیقات ذخیره انرژی (JCESR)، یک مرکز نوآوری DOE.

پرابهاکاران گفت: «یک روز، من با ویجی درباره چیز دیگری ملاقات داشتم و شروع به صحبت در مورد تحقیقات خود کردیم. ما به سرعت متوجه شدیم که فرود نرم یونی ممکن است ابزار مهمی برای کمک به پاسخگویی به سؤالات کلیدی در ناحیه تمرکز JCESR باشد که منجر به ویجی می‌شود.»

حرکت آتی تیم به مرکز علوم انرژی، کار آنها را ساده می کند و آنها را برای همکاری کارآمد و مطالعات تجربی به هم نزدیک می کند.

Murugesan گفت: «در حال حاضر، ما باید چندین راهرو را طی کنیم تا از آزمایشگاه فرود نرم یونی به ابزارهای کلیدی شخصیت پردازی برسیم. در حالی که ممکن است دور به نظر نرسد، این پیاده روی کوتاه باعث ایجاد مشکلاتی برای نمونه های بسیار حساس و واکنش پذیر آنها می شود. محققان مجبورند از یک "چمدان خلاء" مخصوص برای انتقال نمونه ها، حتی در داخل سالن استفاده کنند.

پرابهاکاران گفت: «در مرکز علوم انرژی، آزمایشگاه‌های ما دقیقاً در کنار یکدیگر خواهند بود. "ما یک در اتصال خواهیم داشت!" راه رفتن بسیار کوتاه‌تر از ابزاری به ابزار دیگر به معنای زمان کمتری برای تخریب یا آلودگی نمونه است.

یک نوآوری اخیر که تیم را هیجان زده کرده است شامل انتخاب و رسوب همزمان دو نوع یون، یکی مثبت و دیگری منفی است. این رویکرد یک مدل واقعی تر از دستگاه های ذخیره انرژی ایجاد می کند. یون‌های مختلف با یکدیگر و سطح برهم‌کنش می‌کنند و تیم را قادر می‌سازد تا عمل را در رابط ثبت کند.

برخی از کارهای ذکر شده در این مقاله به عنوان بخشی از JCESR، یک مرکز نوآوری انرژی که توسط DOE، دفتر علوم، برنامه علوم پایه انرژی پشتیبانی می شود، پشتیبانی می شود. این کار با همکاری دانشگاه A&M تگزاس انجام شد. علاوه بر جانسون، موروگسان، و پرابهاکاران، سایر نویسندگان PNNL عبارتند از: کی هانکینز، سونگون وی، وایتیالینگام شوتاناندان، سوادیپتا روی، هوی وانگ، یویان شائو، سونتارامپیلای ثووتهاسان و کارل مولر. بخشی از کار اجرا شد در آزمایشگاه علوم مولکولی محیطی، یک مرکز ملی علمی کاربر. کار آینده در مرکز علوم انرژی ادامه خواهد داشت.

از اصالت CleanTechnica قدردانی می کنید؟ در نظر گرفتن یک عضو، پشتیبان، تکنسین یا سفیر CleanTechnica - یا یک حامی در Patreon.