Parempia ratkaisuja vedyn tekemiseen pinnalla

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Koti > lehdistö > Paremmat ratkaisut vedyn valmistukseen voivat olla aivan pinnalla

Ainutlaatuinen vuorovaikutus perovskiittioksidin, sen muuttuvan pintakerroksen ja OER:tä kohti aktiivisten rautalajien välillä avaa uuden polun aktiivisten ja stabiilien materiaalien suunnittelulle, mikä vie meidät askeleen lähemmäksi tehokasta ja edullista vihreän vedyn tuotantoa. LUOTTO Argonnen kansallinen laboratorio

Tiivistelmä:
Vetypolttoaineella toimiva puhtaan energian tulevaisuus riippuu siitä, miten selvitetään, kuinka vesi jaetaan luotettavasti ja tehokkaasti. Tämä johtuu siitä, että vaikka vetyä on runsaasti, sen on oltava peräisin toisesta sitä sisältävästä aineesta - ja nykyään se aine on usein metaanikaasua. Tutkijat etsivät tapoja eristää tämä energiaa kuljettava elementti ilman fossiilisia polttoaineita. Tämä tasoittaisi tietä esimerkiksi vetykäyttöisille autoille, jotka päästävät pakoputkeen vain vettä ja lämmintä ilmaa.

Paremmat ratkaisut vedyn valmistamiseksi voivat olla vain pinnan päällä

Argonne, IL | Julkaistu 9. huhtikuuta 2021

Vesi tai H2O yhdistää vedyn ja hapen. Vetyatomit molekyylivedyn muodossa on erotettava tästä yhdisteestä. Tämä prosessi riippuu keskeisestä - mutta usein hitaasta - vaiheesta: hapen kehitysreaktiosta (OER). OER vapauttaa molekyylin happea vedestä, ja tämän reaktion hallinta on tärkeää vedyn tuotannon lisäksi useille kemiallisille prosesseille, mukaan lukien akuissa esiintyvät.

"Hapen evoluutioreaktio on osa niin monia prosesseja, joten sovellettavuus tässä on melko laaja." — Pietro Papa Lopes, Argonnen apulaistutkija

Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoiden johtama tutkimus valaisee perovskiittioksidien muotoa muuttavaa laatua, lupaavaa materiaalityyppiä OER:n nopeuttamiseksi. Perovskiittioksidit sisältävät joukon yhdisteitä, joilla kaikilla on samanlainen kiderakenne. Ne sisältävät tyypillisesti maa-alkalimetallia tai lantanideja, kuten La ja Sr A-kohdassa, ja siirtymämetallia, kuten Co B-kohdassa, yhdistettynä hapen kanssa kaavassa ABO3. Tutkimus antaa oivalluksia, joiden avulla voidaan suunnitella uusia materiaaleja uusiutuvien polttoaineiden valmistuksen lisäksi myös energian varastointiin.

Perovskiittioksidit voivat saada aikaan OER:n, ja ne ovat halvempia kuin jalometallit, kuten iridium tai rutenium, jotka myös tekevät työn. Mutta perovskiittioksidit eivät ole yhtä aktiivisia (toisin sanoen tehokkaita OER:n nopeuttamisessa) kuin nämä metallit, ja niillä on taipumus hitaasti hajota.

"Ymmärrys siitä, kuinka nämä materiaalit voivat olla aktiivisia ja vakaita, oli meille suuri liikkeellepaneva voima", sanoi Pietro Papa Lopes, Argonnen materiaalitieteiden jaoston apulaistutkija, joka johti tutkimusta. "Halusimme tutkia näiden kahden ominaisuuden välistä suhdetta ja kuinka se liittyy itse perovskiitin ominaisuuksiin."

Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet perovskiittimateriaalien bulkkiominaisuuksiin ja siihen, miten ne liittyvät OER-toimintaan. Tutkijat ihmettelivät kuitenkin, oliko tarinassa muutakin. Loppujen lopuksi materiaalin pinta, jossa se reagoi ympäristönsä kanssa, voi olla täysin erilainen kuin muu. Tällaisia esimerkkejä on kaikkialla luonnossa: ajattele puolitettua avokadoa, joka ruskistuu nopeasti ilman kohtaamispaikassa, mutta pysyy sisällä vihreänä. Perovskiittimateriaalien pinnalla, joka muuttuu erilaiseksi kuin bulkki, voi olla tärkeitä vaikutuksia siihen, kuinka ymmärrämme niiden ominaisuudet.

Vesielektrolysointijärjestelmissä, jotka jakavat veden vedyksi ja hapeksi, perovskiittioksidit ovat vuorovaikutuksessa vedestä ja erityisistä suolalajeista koostuvan elektrolyytin kanssa luoden rajapinnan, joka mahdollistaa laitteen toiminnan. Kun sähkövirtaa käytetään, tämä liitäntä on kriittinen vedenjakoprosessin käynnistämisessä. "Materiaalin pinta on tärkein näkökohta hapen kehittymisreaktion edetessä: kuinka paljon jännitettä tarvitset ja kuinka paljon happea ja vetyä aiot tuottaa", Lopes sanoi.

Perovskiittioksidin pinta ei vain eroa muusta materiaalista, vaan se myös muuttuu ajan myötä. "Kun perovskiitin pinta on sähkökemiallisessa järjestelmässä, se kehittyy ja muuttuu ohueksi, amorfiseksi kalvoksi", Lopes sanoi. "Se ei ole koskaan oikeastaan sama kuin materiaali, josta aloitat."

Tutkijat yhdistivät teoreettisia laskelmia ja kokeita selvittääkseen, kuinka perovskiittimateriaalin pinta kehittyy OER:n aikana. Tehdäkseen tämän tarkasti he tutkivat lantaanikobolttioksidiperovskiittia ja virittivät sitä "dopingoimalla" lantaania strontiumilla, reaktiivisemmalla metallilla. Mitä enemmän strontiumia lisättiin alkuperäiseen materiaaliin, sitä nopeammin sen pinta kehittyi ja muuttui aktiiviseksi OER:lle - prosessille, jonka tutkijat pystyivät tarkkailemaan atomiresoluutiolla transmissioelektronimikroskoopilla. Tutkijat havaitsivat, että strontiumin liukeneminen ja hapen menetys perovskiitista johtivat tämän amorfisen pintakerroksen muodostumiseen, mikä selittyy edelleen laskennallisella mallinnuksella, joka suoritettiin käyttämällä Center for Nanoscale Materials, DOE Office of Science User Facilityä.

"Viimeinen puuttuva pala ymmärtääkseen, miksi perovskiitit olivat aktiivisia OER:tä kohtaan, oli tutkia elektrolyytissä olevien pienten rautamäärien roolia", Lopes sanoi. Sama tutkijaryhmä havaitsi äskettäin, että raudan jäämät voivat parantaa muiden amorfisten oksidien pintojen OER:tä. Kun he päättivät, että perovskiitin pinta kehittyy amorfiseksi oksidiksi, kävi selväksi, miksi rauta oli niin tärkeä.

"Laskennalliset tutkimukset auttavat tutkijoita ymmärtämään reaktiomekanismeja, joihin liittyy sekä perovskiitin pinta että elektrolyytti", sanoi Peter Zapol, Argonnen fyysikko ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. ”Keskityimme reaktiomekanismeihin, jotka ohjaavat perovskiittimateriaalien aktiivisuutta ja stabiilisuutta. Tätä ei tyypillisesti tehdä laskennallisissa tutkimuksissa, jotka yleensä keskittyvät yksinomaan toiminnasta vastaaviin reaktiomekanismeihin.

Tutkimuksessa havaittiin, että perovskiittioksidin pinta kehittyi kobolttipitoiseksi amorfiseksi kalvoksi, joka on vain muutaman nanometrin paksuinen. Kun rautaa oli läsnä elektrolyytissä, rauta auttoi nopeuttamaan OER:ää, kun taas kobolttipitoisella kalvolla oli rautaa stabiloiva vaikutus, joka piti sen aktiivisena pinnalla.

Tulokset viittaavat uusiin mahdollisiin strategioihin perovskiittimateriaalien suunnitteluun - voidaan kuvitella kaksikerroksisen järjestelmän luomista, Lopes sanoi, joka on vieläkin vakaampi ja pystyy edistämään OER:ää.

"OER on osa niin monia prosesseja, joten sovellettavuus täällä on melko laaja", Lopes sanoi. "Ymmärtämällä materiaalien dynamiikan ja niiden vaikutuksen pintaprosesseihin voimme tehdä energian muunto- ja varastointijärjestelmistä parempia, tehokkaampia ja edullisempia."

###

Tutkimus on kuvattu artikkelissa, joka on julkaistu ja korostettu 24. helmikuuta Journal of the American Chemical Society -lehden kannessa "Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution". Lopesin ja Zapolin lisäksi mukana tekijöitä ovat Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic ja John Mitchell Argonnessa; Xue Rui ja Robert Klie Illinoisin yliopistossa Chicagossa; ja Haiying He Valparaison yliopistossa. Tätä tutkimusta rahoitti DOE:n energian perustieteiden toimisto.

####

Tietoja Argonnen kansallisesta laboratoriosta
Argonnen kansallinen laboratorio etsii ratkaisuja kiireellisiin kansallisiin tieteen ja tekniikan ongelmiin. Kansakunnan ensimmäinen kansallinen laboratorio Argonne tekee huippututkimusta perustutkimuksessa ja soveltavassa tieteellisessä tutkimuksessa käytännöllisesti katsoen kaikilla tieteenaloilla. Argonnen tutkijat tekevät tiivistä yhteistyötä satojen yritysten, yliopistojen sekä liittovaltion, osavaltioiden ja kuntien tutkijoiden kanssa auttaakseen heitä ratkaisemaan heidän erityisongelmansa, edistämään Amerikan tieteellistä johtajuutta ja valmistelemaan kansaa parempaan tulevaisuuteen. Työntekijöitä yli 60 maasta, Argonnea johtaa UChicago Argonne, LLC Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto.

Tietoja Argonnen nanoskaalamateriaalien keskuksesta

Center for Nanoscale Materials on yksi viidestä DOE:n nanomittakaavan tieteen tutkimuskeskuksesta, johtavat kansalliset käyttäjälaitokset monitieteiseen nanomittakaavatutkimukseen, jota DOE Office of Science tukee. Yhdessä NSRC:t muodostavat joukon toisiaan täydentäviä laitteita, jotka tarjoavat tutkijoille huippuluokan kyvyt valmistaa, prosessoida, karakterisoida ja mallintaa nanomittakaavan materiaaleja ja muodostavat kansallisen nanoteknologia-aloitteen suurimman infrastruktuuri-investoinnin. NSRC:t sijaitsevat DOE:n Argonnessa, Brookhavenissa, Lawrence Berkeleyssä, Oak Ridgessä, Sandiassa ja Los Alamosissa National Laboratoriesissa. Lisätietoja DOE NSRC:istä on osoitteessa https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto on ainoa fysikaalisten tieteiden perustutkimuksen tukija Yhdysvalloissa ja pyrkii vastaamaan aikamme kiireellisimpiin haasteisiin. Lisätietoja on osoitteessa https://energy.gov/science .

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Tekijänoikeus © Argonnen kansallinen laboratorio

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: