Solusi Lebih Baik Untuk Membuat Hidrogen Mungkin Berada Di Permukaan

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Beranda > Tekan > Solusi yang lebih baik untuk membuat hidrogen mungkin terletak di permukaan saja

Interaksi unik antara oksida perovskit, perubahan lapisan permukaannya, dan spesies besi yang aktif menuju OER membuka jalan baru untuk desain bahan aktif dan stabil, membawa kita selangkah lebih dekat menuju produksi hidrogen ramah lingkungan yang efisien dan terjangkau. KREDIT Laboratorium Nasional Argonne

Abstrak:
Masa depan energi bersih yang didorong oleh bahan bakar hidrogen bergantung pada cara membagi air secara andal dan efisien. Hal ini karena, meskipun hidrogen melimpah, ia pasti berasal dari zat lain yang mengandungnya – dan saat ini, zat tersebut sering kali berupa gas metana. Para ilmuwan sedang mencari cara untuk mengisolasi unsur pembawa energi ini tanpa menggunakan bahan bakar fosil. Hal ini akan membuka jalan bagi mobil berbahan bakar hidrogen, misalnya, yang hanya mengeluarkan air dan udara hangat di knalpot.

Solusi yang lebih baik untuk membuat hidrogen mungkin terletak di permukaan saja

Argonne, Illinois | Diposting pada 9 April 2021

Air, atau H2O, menyatukan hidrogen dan oksigen. Atom hidrogen dalam bentuk molekul hidrogen harus dipisahkan dari senyawa ini. Proses tersebut bergantung pada langkah penting – namun seringkali lambat –: reaksi evolusi oksigen (OER). OER inilah yang melepaskan oksigen molekuler dari air, dan mengendalikan reaksi ini penting tidak hanya untuk produksi hidrogen tetapi juga berbagai proses kimia, termasuk yang ditemukan pada baterai.

“Reaksi evolusi oksigen adalah bagian dari banyak proses, sehingga penerapannya di sini cukup luas.” — Pietro Papa Lopes, asisten ilmuwan Argonne

Sebuah studi yang dipimpin oleh para ilmuwan di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) menjelaskan kualitas perubahan bentuk oksida perovskit, jenis bahan yang menjanjikan untuk mempercepat OER. Oksida perovskit mencakup serangkaian senyawa yang semuanya memiliki struktur kristal serupa. Mereka biasanya mengandung logam alkali tanah atau lantanida seperti La dan Sr di situs A, dan logam transisi seperti Co di situs B, dikombinasikan dengan oksigen dalam rumus ABO3. Penelitian ini memberikan wawasan yang dapat digunakan untuk merancang material baru tidak hanya untuk membuat bahan bakar terbarukan tetapi juga menyimpan energi.

Oksida perovskit dapat menghasilkan OER, dan harganya lebih murah dibandingkan logam mulia seperti iridium atau rutenium yang juga dapat melakukan pekerjaan tersebut. Namun oksida perovskit tidak seaktif (dengan kata lain, efisien dalam mempercepat OER) seperti logam-logam ini, dan cenderung terdegradasi secara perlahan.

“Memahami bagaimana bahan-bahan ini bisa aktif dan stabil merupakan kekuatan pendorong besar bagi kami,” kata Pietro Papa Lopes, asisten ilmuwan di divisi Ilmu Material Argonne yang memimpin penelitian ini. “Kami ingin mengeksplorasi hubungan antara kedua properti ini dan bagaimana hubungannya dengan properti perovskit itu sendiri.”

Penelitian sebelumnya berfokus pada sifat sebagian besar bahan perovskit dan hubungannya dengan aktivitas OER. Namun, para peneliti bertanya-tanya apakah ada lebih dari cerita tersebut. Bagaimanapun, permukaan suatu material, tempat ia bereaksi dengan lingkungannya, bisa sangat berbeda dari permukaan lainnya. Contoh seperti ini ada di mana-mana di alam: bayangkan alpukat yang dibelah dua yang cepat berubah warna menjadi coklat saat bertemu dengan udara namun tetap hijau di dalamnya. Untuk bahan perovskit, permukaan yang menjadi berbeda dari permukaannya dapat mempunyai implikasi penting terhadap cara kita memahami sifat-sifatnya.

Dalam sistem elektroliser air, yang memecah air menjadi hidrogen dan oksigen, oksida perovskit berinteraksi dengan elektrolit yang terbuat dari air dan spesies garam khusus, menciptakan antarmuka yang memungkinkan perangkat beroperasi. Saat arus listrik dialirkan, antarmuka tersebut sangat penting dalam memulai proses pemisahan air. “Permukaan material adalah aspek terpenting dari bagaimana reaksi evolusi oksigen akan berlangsung: Berapa banyak tegangan yang Anda perlukan, dan berapa banyak oksigen dan hidrogen yang akan Anda hasilkan,” kata Lopes.

Permukaan oksida perovskit tidak hanya berbeda dari bahan lainnya, tetapi juga berubah seiring waktu. “Setelah berada dalam sistem elektrokimia, permukaan perovskit berevolusi dan berubah menjadi film tipis amorf,” kata Lopes. “Ini tidak pernah sama dengan materi yang Anda gunakan untuk memulai.”

Para peneliti menggabungkan perhitungan teoritis dan eksperimen untuk menentukan bagaimana permukaan bahan perovskit berevolusi selama OER. Untuk melakukannya dengan tepat, mereka mempelajari lantanum kobalt oksida perovskit dan menyetelnya dengan “doping” lantanum dengan strontium, logam yang lebih reaktif. Semakin banyak strontium yang ditambahkan ke bahan awal, semakin cepat permukaannya berevolusi dan menjadi aktif untuk OER – sebuah proses yang dapat diamati oleh para peneliti pada resolusi atom dengan mikroskop elektron transmisi. Para peneliti menemukan bahwa pelarutan strontium dan hilangnya oksigen dari perovskit mendorong pembentukan lapisan permukaan amorf ini, yang selanjutnya dijelaskan oleh pemodelan komputasi yang dilakukan menggunakan Pusat Bahan Skala Nano, Fasilitas Pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE.

“Bagian terakhir yang hilang untuk memahami mengapa perovskit aktif terhadap OER adalah mengeksplorasi peran sejumlah kecil zat besi dalam elektrolit,” kata Lopes. Kelompok peneliti yang sama baru-baru ini menemukan bahwa jejak besi dapat meningkatkan OER pada permukaan oksida amorf lainnya. Setelah mereka menentukan bahwa permukaan perovskit berevolusi menjadi oksida amorf, menjadi jelas mengapa besi sangat penting.

“Studi komputasi membantu para ilmuwan memahami mekanisme reaksi yang melibatkan permukaan perovskit dan elektrolit,” kata Peter Zapol, fisikawan di Argonne dan rekan penulis studi. “Kami fokus pada mekanisme reaksi yang mendorong tren aktivitas dan stabilitas bahan perovskit. Hal ini biasanya tidak dilakukan dalam studi komputasi, yang cenderung hanya berfokus pada mekanisme reaksi yang bertanggung jawab atas aktivitas tersebut.”

Studi ini menemukan bahwa permukaan oksida perovskit berevolusi menjadi film amorf kaya kobalt yang tebalnya hanya beberapa nanometer. Ketika zat besi terdapat dalam elektrolit, zat besi membantu mempercepat OER, sementara lapisan film kaya kobalt mempunyai efek menstabilkan zat besi, menjaganya tetap aktif di permukaan.

Hasilnya menunjukkan strategi potensial baru untuk merancang bahan perovskit – kita dapat membayangkan menciptakan sistem dua lapis, kata Lopes, yang bahkan lebih stabil dan mampu mendorong OER.

“OER adalah bagian dari banyak proses, sehingga penerapannya cukup luas,” kata Lopes. “Memahami dinamika material dan pengaruhnya terhadap proses permukaan adalah cara kita membuat sistem konversi dan penyimpanan energi menjadi lebih baik, lebih efisien, dan terjangkau.”

# # #

Studi ini dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan dan disorot pada sampul Journal of American Chemical Society pada 24 Februari, “Situs Aktif yang Stabil Secara Dinamis dari Evolusi Permukaan Bahan Perovskit selama Evolusi Oksigen.” Selain Lopes dan Zapol, rekan penulis termasuk Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic dan John Mitchell di Argonne; Xue Rui dan Robert Klie di Universitas Illinois di Chicago; dan Haiying He di Universitas Valparaiso. Penelitian ini didanai oleh Kantor Ilmu Energi Dasar DOE.

####

Tentang Laboratorium Nasional Argonne
Laboratorium Nasional Argonne mencari solusi untuk menekan masalah nasional di bidang sains dan teknologi. Laboratorium nasional pertama di negara ini, Argonne melakukan penelitian ilmiah dasar dan terapan terdepan di hampir semua disiplin ilmu. Peneliti Argonne bekerja sama dengan peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, dan lembaga federal, negara bagian dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah khusus mereka, memajukan kepemimpinan ilmiah Amerika dan mempersiapkan bangsa untuk masa depan yang lebih baik. Dengan karyawan dari lebih dari 60 negara, Argonne dikelola oleh UChicago Argonne, LLC untuk Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS.

Tentang Argonne's Center for Nanoscale Materials

Pusat Bahan Skala Nano adalah salah satu dari lima Pusat Penelitian Sains Skala Nano DOE, fasilitas pengguna nasional utama untuk penelitian interdisipliner pada skala nano yang didukung oleh Kantor Sains DOE. Bersama-sama, NSRC terdiri dari serangkaian fasilitas pelengkap yang memberikan para peneliti kemampuan tercanggih untuk membuat, memproses, mengkarakterisasi, dan memodelkan material berskala nano, dan merupakan investasi infrastruktur terbesar dari Inisiatif Nanoteknologi Nasional. NSRC berlokasi di Laboratorium Nasional DOE Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia dan Los Alamos. Untuk informasi lebih lanjut tentang DOE NSRC, silakan kunjungi https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS adalah pendukung tunggal terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat dan bekerja untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https://energy.gov/science .

Untuk informasi lebih lanjut, silakan klik di sini

Kontak:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Hak Cipta © Laboratorium Nasional Argonne

Jika Anda punya komentar, silakan Kontak kita.

Penerbit rilis berita, bukan 7th Wave, Inc. atau Nanotechnology Now, semata-mata bertanggung jawab atas keakuratan konten.

Bookmark: