פתרונות טובים יותר להפיכת מימן עשוי לשכב רק על פני השטח

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

עמוד הבית > חדשות ועדכונים > פתרונות טובים יותר לייצור מימן עשויים להיות רק על פני השטח

האינטראקציות הייחודיות בין תחמוצת פרוסקיט, שכבת פני השטח המשתנה שלה, לבין מיני ברזל הפעילים לכיוון OER סוללת דרך חדשה לתכנון חומרים פעילים ויציבים, ומקרבת אותנו צעד אחד לייצור מימן ירוק יעיל ובמחיר סביר. קרדיט המעבדה הלאומית של ארגון

תקציר:
עתיד אנרגיה נקייה המונע על ידי דלק מימן תלוי בהבנה כיצד לפצל מים בצורה אמינה ויעילה. הסיבה לכך היא שלמרות שמימן יש בשפע, הוא חייב להיות מופק מחומר אחר שמכיל אותו - וכיום, החומר הזה הוא לעתים קרובות גז מתאן. מדענים מחפשים דרכים לבודד את האלמנט נושא האנרגיה הזה מבלי להשתמש בדלק מאובנים. זה יסלול את הדרך למכוניות מונעות במימן, למשל, שפולטות רק מים ואוויר חם בצנרת.

פתרונות טובים יותר לייצור מימן עשויים להיות מונחים ממש על פני השטח

Argonne, IL | פורסם ב-9 באפריל, 2021

מים, או H2O, מאחדים מימן וחמצן. יש להפריד אטומי מימן בצורה של מימן מולקולרי מהתרכובת הזו. תהליך זה תלוי בשלב מפתח - אך לרוב איטי -: תגובת התפתחות החמצן (OER). ה-OER הוא זה שמשחרר חמצן מולקולרי ממים, ושליטה בתגובה זו חשובה לא רק לייצור מימן אלא למגוון תהליכים כימיים, כולל כאלה שנמצאים בסוללות.

"תגובת התפתחות החמצן היא חלק מכל כך הרבה תהליכים, כך שהשימוש כאן הוא די רחב." - פייטרו פאפא לופס, עוזר מדען של ארגון

מחקר בראשות מדענים במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) מאיר איכות משנה צורה בתחמוצות פרוסקיט, סוג מבטיח של חומר להאצת ה-OER. תחמוצות פרוסקיט מקיפות מגוון תרכובות שלכולן מבנה גבישי דומה. הם מכילים בדרך כלל מתכת אדמה אלקליין או לנתאנידים כגון La ו-Sr באתר A, ומתכת מעבר כגון Co באתר B, בשילוב עם חמצן בנוסחה ABO3. המחקר מעניק תובנה שיכולה לשמש לתכנון חומרים חדשים לא רק לייצור דלקים מתחדשים אלא גם לאגירת אנרגיה.

תחמוצות פרוסקיט יכולות לגרום ל-OER, והן פחות יקרות ממתכות יקרות כמו אירידיום או רותניום שגם עושות את העבודה. אבל תחמוצות פרוסקיט אינן פעילות (במילים אחרות, יעילות בהאצת ה-OER) כמו המתכות הללו, והן נוטות להתפרק לאט.

"ההבנה כיצד החומרים הללו יכולים להיות פעילים ויציבים הייתה כוח מניע גדול עבורנו", אמר פייטרו פאפא לופס, עוזר מדען בחטיבת מדעי החומרים של ארגון שהוביל את המחקר. "רצינו לחקור את הקשר בין שני המאפיינים הללו וכיצד זה מתחבר למאפיינים של הפרובסקיט עצמו."

מחקרים קודמים התמקדו בתכונות התפזורת של חומרי פרובסקיט וכיצד אלה קשורים לפעילות OER. החוקרים תהו, עם זאת, האם יש יותר בסיפור. אחרי הכל, פני השטח של חומר, שבו הוא מגיב עם סביבתו, יכול להיות שונה לחלוטין מהשאר. דוגמאות כאלה נמצאות בכל מקום בטבע: חשבו על אבוקדו חצוי שמזהיב במהירות היכן שהוא פוגש את האוויר אבל נשאר ירוק בפנים. עבור חומרי פרובסקיט, למשטח שהופך להיות שונה מהחלק הגדול עשויות להיות השלכות חשובות על האופן שבו אנו מבינים את תכונותיהם.

במערכות אלקטרוליזרי מים, המפצלות מים למימן וחמצן, תחמוצות פרובסקיט מקיימות אינטראקציה עם אלקטרוליט העשוי ממים וממיני מלח מיוחדים, ויוצרות ממשק המאפשר את פעולת המכשיר. כאשר זרם חשמלי מופעל, הממשק הזה הוא קריטי בהתחלה של תהליך פיצול המים. "פני השטח של החומר הם ההיבט החשוב ביותר של אופן התנהלות תגובת התפתחות החמצן: כמה מתח אתה צריך וכמה חמצן ומימן אתה הולך לייצר," אמר לופס.

לא רק שמשטח תחמוצת הפרובסקיט שונה משאר החומר, הוא גם משתנה עם הזמן. "ברגע שהוא נמצא במערכת אלקטרוכימית, משטח הפרובסקיט מתפתח והופך לסרט דק ואמורפי," אמר לופס. "זה אף פעם לא באמת זהה לחומר שאתה מתחיל איתו."

החוקרים שילבו חישובים תיאורטיים וניסויים כדי לקבוע כיצד פני השטח של חומר פרוסקיט מתפתחים במהלך ה-OER. כדי לעשות זאת בדיוק, הם חקרו פרוסקיט תחמוצת קובלט לנטנום וכיוונו אותו על ידי "סימום" הלנתנום בסטרונציום, מתכת תגובתית יותר. ככל שנוספו יותר סטרונציום לחומר הראשוני, כך פני השטח שלו התפתחו מהר יותר והפכו פעילים עבור ה-OER - תהליך שהחוקרים הצליחו לצפות ברזולוציה אטומית במיקרוסקופ אלקטרוני של העברה. החוקרים מצאו כי פירוק סטרונציום ואיבוד חמצן מהפרוסקיט הניעו את היווצרות שכבת פני השטח האמורפית הזו, דבר שהוסבר עוד על ידי מודלים חישוביים שבוצעו באמצעות המרכז לחומרים ננומטריים, מתקן משתמש של משרד המדע של DOE.

"החתיכה האחרונה שחסרה כדי להבין מדוע הפרובסקיטים היו פעילים לקראת OER הייתה לחקור את התפקיד של כמויות קטנות של ברזל שנמצאות באלקטרוליט", אמר לופס. אותה קבוצת חוקרים גילתה לאחרונה כי עקבות של ברזל יכולים לשפר את ה-OER על משטחי תחמוצת אמורפיים אחרים. ברגע שהם קבעו שמשטח פרובסקיט מתפתח לתחמוצת אמורפית, אז התברר מדוע ברזל כל כך חשוב.

"מחקרים חישוביים עוזרים למדענים להבין מנגנוני תגובה הכוללים גם את פני השטח הפרובסקיט וגם את האלקטרוליט", אמר פיטר זפול, פיזיקאי ב-Argonne ומחבר המחקר. "התמקדנו במנגנוני תגובה המניעים גם מגמות פעילות וגם מגמות יציבות בחומרי פרוסקיט. זה לא נעשה בדרך כלל במחקרים חישוביים, אשר נוטים להתמקד אך ורק במנגנוני התגובה האחראים לפעילות."

המחקר מצא כי פני השטח של תחמוצת הפרובסקיט התפתחו לסרט אמורפי עשיר בקובלט בעובי של כמה ננומטרים בלבד. כאשר ברזל היה קיים באלקטרוליט, הברזל עזר להאיץ את ה-OER, בעוד שלסרט העשיר בקובלט הייתה השפעה מייצבת על הברזל, ושמרה אותו פעיל על פני השטח.

התוצאות מציעות אסטרטגיות פוטנציאליות חדשות לעיצוב חומרי פרובסקיט - אפשר לדמיין יצירת מערכת דו-שכבתית, אמר לופס, שהיא אפילו יותר יציבה ומסוגלת לקדם את ה-OER.

"ה-OER הוא חלק מכל כך הרבה תהליכים, אז הישימות כאן היא די רחבה", אמר לופס. "הבנת הדינמיקה של חומרים והשפעתם על תהליכי פני השטח היא כיצד נוכל להפוך מערכות המרת אנרגיה ואחסון טובות יותר, יעילות יותר ובמחיר סביר."

# # #

המחקר מתואר במאמר שפורסם והודגש בשער ה-24 בפברואר של כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה, "אתרים פעילים יציבים דינמיים מהתפתחות פני השטח של חומרי פרוסקיט במהלך אבולוציית החמצן". בנוסף ללופס וזאפול, מחברים שותפים כוללים את דונג יאנג צ'ונג, הונג ג'נג, פדרו פארינצו ברגמו דיאס מרטינס, דושאן סטרמצ'ניק, וויג'יסלב סטמנקוביץ', ננאד מרקוביץ' וג'ון מיטשל בארגון; שו רוי ורוברט קלי באוניברסיטת אילינוי בשיקגו; והאיינג הוא באוניברסיטת ולפאראיסו. מחקר זה מומן על ידי המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים של DOE.

####

אודות המעבדה הלאומית ארגון
המעבדה הלאומית ארגון מחפשת פתרונות לבעיות לאומיות דחופות במדע וטכנולוגיה. המעבדה הלאומית הראשונה של המדינה, ארגון עורכת מחקר מדעי בסיסי ויישומי מוביל כמעט בכל תחום מדעי. חוקרי ארגון עובדים בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרים ממאות חברות, אוניברסיטאות וסוכנויות פדרליות, ממלכתיות ועירוניות כדי לעזור להם לפתור את הבעיות הספציפיות שלהם, לקדם את ההנהגה המדעית באמריקה ולהכין את המדינה לעתיד טוב יותר. עם עובדים מיותר מ -60 מדינות, ארגון מנוהל על ידי UChicago Argonne, LLC עבור משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקני.

אודות המרכז של ארגון לחומרים ננומטריים

המרכז לחומרים ננומטריים הוא אחד מחמשת מרכזי המחקר המדעים הננומטריים של DOE, מתקני משתמש לאומיים מובילים למחקר בינתחומי בקנה מידה ננומי הנתמך על ידי משרד המדע של DOE. יחד ה-NSRC מהווים חבילה של מתקנים משלימים המספקים לחוקרים יכולות מתקדמות לייצור, עיבוד, אפיון ומודל של חומרים ננומטריים, ומהווים את ההשקעה הגדולה ביותר בתשתית של היוזמה הלאומית לננוטכנולוגיה. ה-NSRCs ממוקמים במעבדות הלאומיות של DOE Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ו- Los Alamos. למידע נוסף על DOE NSRCs, אנא בקר https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקני הוא התומך הגדול ביותר במחקר בסיסי במדעי הפיסיקה בארצות הברית ופועל לטפל בכמה מהאתגרים הדוחקים ביותר של זמננו. למידע נוסף בקרו באתר https://energy.gov/science .

לקבלת מידע נוסף, לחץ על כאן

ליצירת קשר:
דיאנה אנדרסון
630-252-4593

@argonne

כל הזכויות שמורות © המעבדה הלאומית ארגון

אם יש לך תגובה בבקשה צרו קשר שלנו.

מנפיקי מהדורות חדשות, לא 7th Wave, Inc. או Nanotechnology Now, אחראים בלעדית לדיוק התוכן.

הפוך: