16 בינואר 2024
(חדשות Nanowerk) תגובה כימית מרכזית - שבה תנועת הפרוטונים בין פני השטח של אלקטרודה לאלקטרוליט מניעה זרם חשמלי - היא שלב קריטי בטכנולוגיות אנרגיה רבות, כולל תאי דלק והאלקטרוליזרים המשמשים לייצור גז מימן. בפעם הראשונה, כימאים של MIT מפו בפירוט כיצד העברות אלקטרונים מצמודות פרוטונים אלו מתרחשות על פני אלקטרודה. התוצאות שלהם יכולות לעזור לחוקרים לתכנן תאי דלק יעילים יותר, סוללות או טכנולוגיות אנרגיה אחרות. "ההתקדמות שלנו במאמר זה הייתה לימוד והבנה של האופן שבו האלקטרונים והפרוטונים הללו מתחברים באתר פני השטח, הרלוונטי לתגובות קטליטיות שחשובות בהקשר של התקני המרת אנרגיה או תגובות קטליטיות", אומר יוג'ש סורנדרנאת, א. פרופסור לכימיה והנדסה כימית ב-MIT והמחבר הבכיר של המחקר. בין הממצאים שלהם, החוקרים הצליחו לאתר בדיוק כיצד שינויים ב-pH של תמיסת האלקטרוליט המקיפה אלקטרודה משפיעים על קצב תנועת הפרוטונים וזרימת האלקטרונים בתוך האלקטרודה. הסטודנט לתואר שני ב-MIT נואה לואיס הוא המחבר הראשי של המאמר, המופיע היום ב כימיה טבעית ("מסגרת מכאניסטית ברמה מולקולרית לקינטיקה של העברת אלקטרונים מקושרת פרוטונים משטחי פנים"). ריאן ביזבי, פוסט דוקטורט לשעבר ב-MIT; קארל ווסטנדורף, סטודנט לתואר שני ב-MIT; ואלכסנדר סודאקוב, מדען מחקר באוניברסיטת ייל, הם גם מחברי המאמר.
הפעלת פוטנציאל חשמלי גורמת לפרוטון לעבור מיון הידרוניום (בצד ימין) אל פני האלקטרודה. באמצעות אלקטרודות עם אתרי קשירת פרוטונים מוגדרים מולקולרית, חוקרי MIT פיתחו מודל כללי לתגובות העברת האלקטרונים הצמודות לפרוטונים הממשקפיים. (תמונה: באדיבות החוקרים)
פרוטונים עוברים
העברת אלקטרונים מצמידים לפרוטונים מתרחשת כאשר מולקולה, לרוב מים או חומצה, מעבירה פרוטון למולקולה אחרת או למשטח אלקטרודה, מה שממריץ את מקבל הפרוטונים לקלוט גם אלקטרון. תגובה מסוג זה נרתמה ליישומי אנרגיה רבים. "תגובות העברת האלקטרונים הצמודות לפרוטון נמצאות בכל מקום. הם לעתים קרובות שלבי מפתח במנגנונים קטליטיים, והם חשובים במיוחד עבור תהליכי המרת אנרגיה כגון ייצור מימן או קטליזה של תאי דלק", אומר Surendranath. באלקטרוליזר יוצר מימן, גישה זו משמשת להוצאת פרוטונים מהמים והוספת אלקטרונים לפרוטונים ליצירת גז מימן. בתא דלק, חשמל נוצר כאשר פרוטונים ואלקטרונים מוסרים מגז מימן ומוסיפים לחמצן ליצירת מים. העברת אלקטרונים צמודת פרוטונים נפוצה בסוגים רבים אחרים של תגובות כימיות, למשל, הפחתת פחמן דו חמצני (המרה של פחמן דו חמצני לדלקים כימיים על ידי הוספת אלקטרונים ופרוטונים). מדענים למדו הרבה על האופן שבו תגובות אלו מתרחשות כאשר מקבלי הפרוטונים הם מולקולות, מכיוון שהם יכולים לשלוט במדויק על המבנה של כל מולקולה ולבחון כיצד אלקטרונים ופרוטונים עוברים ביניהם. עם זאת, כאשר מתרחשת העברת אלקטרונים מקושרים לפרוטונים על פני האלקטרודה, התהליך הרבה יותר קשה לחקור מכיוון שמשטחי האלקטרודה הם בדרך כלל הטרוגניים מאוד, עם אתרים רבים ושונים שאליהם פרוטון יכול להיקשר. כדי להתגבר על המכשול הזה, צוות MIT פיתח דרך לתכנן משטחי אלקטרודה המעניקה להם שליטה הרבה יותר מדויקת על הרכב משטח האלקטרודה. האלקטרודות שלהם מורכבות מיריעות של גרפן עם תרכובות אורגניות המכילות טבעת המחוברות למשטח. בקצה כל אחת מהמולקולות האורגניות הללו נמצא יון חמצן בעל מטען שלילי שיכול לקבל פרוטונים מהתמיסה שמסביב, מה שגורם לאלקטרון לזרום מהמעגל אל המשטח הגרפי. "אנחנו יכולים ליצור אלקטרודה שאינה מורכבת ממגוון רחב של אתרים, אלא היא מערך אחיד של סוג אחד של אתרים מוגדרים היטב שיכולים כל אחד לקשור פרוטון עם אותה זיקה", אומר Surendranath. "מכיוון שיש לנו אתרים מאוד מוגדרים אלה, מה שזה איפשר לנו לעשות היה באמת לפענח את הקינטיקה של התהליכים האלה." באמצעות מערכת זו, החוקרים הצליחו למדוד את זרימת הזרם החשמלי אל האלקטרודות, מה שאפשר להם לחשב את קצב העברת הפרוטונים ליון החמצן על פני השטח בשיווי משקל - המצב שבו שיעורי תרומת הפרוטונים לפני השטח והעברת פרוטונים חזרה לתמיסה מהמשטח שווים. הם מצאו כי ל-pH של התמיסה שמסביב יש השפעה משמעותית על קצב זה: השיעורים הגבוהים ביותר התרחשו בקצוות הקיצוניים של סולם ה-pH - pH 0, החומצי ביותר, ו-pH 14, הבסיסי ביותר. כדי להסביר את התוצאות הללו, החוקרים פיתחו מודל המבוסס על שתי תגובות אפשריות שיכולות להתרחש באלקטרודה. 3O+), הנמצאים בריכוז גבוה בתמיסות חומציות חזקות, מספקות פרוטונים לפני השטח של יוני חמצן, ומייצרים מים. בשנייה, מים מספקים פרוטונים ליוני חמצן על פני השטח, ומייצרים יוני הידרוקסיד (OH-), הנמצאים בריכוז גבוה בתמיסות בסיסיות מאוד. עם זאת, הקצב ב-pH 0 מהיר בערך פי ארבעה מהקצב ב-pH 14, בין השאר משום שהידרוניום מוותר על פרוטונים בקצב מהיר יותר ממים.תגובה שיש לשקול מחדש
החוקרים גם גילו, להפתעתם, שלשתי התגובות יש קצבים שווים לא ב-pH ניטרלי 7, שבו ריכוזי הידרוניום והידרוקסיד שווים, אלא ב-pH 10, שבו ריכוז יוני הידרוקסיד הוא פי מיליון מזה של הידרוניום. המודל מציע זאת משום שהתגובה קדימה הכוללת תרומת פרוטונים מהידרוניום או מים תורמת יותר לקצב הכולל מאשר התגובה לאחור הכוללת הסרת פרוטונים על ידי מים או הידרוקסיד. המודלים הקיימים של האופן שבו תגובות אלו מתרחשות במשטחי אלקטרודה מניחים שהתגובות קדימה ואחורה תורמות באופן שווה לקצב הכולל, כך שהממצאים החדשים מצביעים על כך שייתכן שיהיה צורך לשקול מחדש את המודלים הללו, אומרים החוקרים. "זו הנחת ברירת המחדל, שהתגובות קדימה ואחורה תורמות באותה מידה לקצב התגובה", אומר Surendranath. "הממצא שלנו הוא באמת פוקח עיניים כי זה אומר שההנחה שאנשים משתמשים בה כדי לנתח כל דבר, החל מקטליזה של תאי דלק ועד אבולוציה של מימן עשויה להיות משהו שעלינו לבדוק מחדש." החוקרים משתמשים כעת במערך הניסוי שלהם כדי לחקור כיצד הוספת סוגים שונים של יונים לתמיסת האלקטרוליט המקיפה את האלקטרודה עשויה להאיץ או להאט את קצב זרימת האלקטרונים הצמודים לפרוטונים. "עם המערכת שלנו, אנחנו יודעים שהאתרים שלנו קבועים ולא משפיעים זה על זה, אז אנחנו יכולים לקרוא מה השינוי בפתרון עושה לתגובה על פני השטח", אומר לואיס.- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64425.php
- :יש ל
- :הוא
- :לֹא
- :איפה
- $ למעלה
- 1
- 10
- 11
- 13
- 14
- 16
- 7
- 8
- a
- יכול
- אודות
- לְקַבֵּל
- להוסיף
- הוסיף
- מוסיף
- לקדם
- להשפיע על
- משפיע
- אלכסנדר
- מותר
- גם
- בין
- an
- לנתח
- ו
- אחר
- מופיע
- יישומים
- מריחה
- גישה
- ARE
- מערך
- AS
- לְהַנִיחַ
- הנחה
- At
- מחבר
- מחברים
- בחזרה
- מבוסס
- בסיסי
- סוללות
- BE
- כי
- היה
- בֵּין
- לאגד
- כריכה
- אבל
- by
- לחשב
- CAN
- פַּחמָן
- פחמן דו חמצני
- גורמים
- תא
- תאים
- מרכז
- שינוי
- שינויים
- טעון
- כימי
- כימיה
- כימאים
- Common
- הרכב
- ריכוז
- קבוע
- הקשר
- לתרום
- תורם
- לִשְׁלוֹט
- המרה
- יכול
- זוג
- לִיצוֹר
- קריטי
- נוֹכְחִי
- תַאֲרִיך
- עסקה
- בְּרִירַת מֶחדָל
- מוגדר
- למסור
- מספק
- עיצוב
- פרט
- מפותח
- התקנים
- אחר
- קשה
- גילה
- גיוון
- do
- לא
- עושה
- תרומה
- מטה
- כוננים
- כל אחד
- השפעה
- יעיל
- חשמלי
- חשמל
- אלקטרוליט
- אלקטרונים
- סוף
- מסתיים
- אנרגיה
- הנדסה
- שווה
- באותה מידה
- שווי משקל
- Ether (ETH)
- הכל
- אבולוציה
- בדיוק
- דוגמה
- קיימים
- ניסיוני
- להסביר
- קיצוני
- מהר יותר
- מציאת
- ממצאים
- ראשון
- firsttime
- תזרים
- בעד
- טופס
- לשעבר
- קדימה
- מצא
- ארבע
- מסגרת
- החל מ-
- לתדלק
- תאי דלק
- דלקים
- גז
- כללי
- נוצר
- יצירת
- דור
- נותן
- בוגר
- גרפן
- גדול
- לקרות
- רָתוּם
- יש
- לֵב
- לעזור
- גָבוֹהַ
- הגבוה ביותר
- איך
- אולם
- HTTPS
- הידרוגנציה
- תמונה
- חשוב
- in
- כולל
- אל תוך
- מעורב
- IT
- jpg
- קארל
- מפתח
- סוג
- לדעת
- עוֹפֶרֶת
- למד
- לואיס
- רב
- מאי..
- אומר
- למדוד
- מנגנוני
- אמצע
- מִילִיוֹן
- MIT
- בוגר MIT
- מודל
- מודלים
- מולקולה
- יותר
- יותר יעיל
- רוב
- תנועה
- תנועה
- הרבה
- טבע
- צורך
- באופן שלילי
- נטרל
- חדש
- נח
- עַכשָׁיו
- להתבונן
- מכשול
- להתרחש
- התרחשה
- of
- לעתים קרובות
- on
- or
- אורגני
- אחר
- שלנו
- הַחוּצָה
- יותר
- מקיף
- להתגבר על
- חמצן
- מאמר
- חלק
- במיוחד
- לעבור
- אֲנָשִׁים
- אפלטון
- מודיעין אפלטון
- אפלטון נתונים
- אפשרי
- פוטנציאל
- פוטנציאל
- צורך
- בדיוק
- תהליך
- תהליכים
- לייצר
- פרופסור
- פרוטונים
- ציון
- תעריפים
- תגובה
- תגובות
- חומר עיוני
- בֶּאֱמֶת
- הפחתה
- רלוונטי
- הסרה
- להסיר
- הוסר
- מתחדשים
- אנרגיה מתחדשת
- מחקר
- חוקרים
- תוצאות
- מגלה
- להפוך
- תקין
- ריאן
- s
- אותו
- לומר
- אומר
- סולם
- מַדְעָן
- מדענים
- שְׁנִיָה
- לחצני מצוקה לפנסיונרים
- התקנה
- משמעותי
- יחיד
- אתר
- אתרים
- להאט
- So
- פִּתָרוֹן
- פתרונות
- משהו
- מְהִירוּת
- מדינה
- שלב
- צעדים
- מגרה
- בְּתוֹקֶף
- מִבְנֶה
- סטודנט
- לימוד
- לומד
- כזה
- להציע
- מציע
- משטח
- הפתעה
- הסובב
- מערכת
- לקחת
- נבחרת
- טכנולוגיות
- מֵאֲשֶׁר
- זֶה
- השמיים
- המדינה
- שֶׁלָהֶם
- אותם
- אלה
- הֵם
- זֶה
- אלה
- זמן
- פִּי
- ל
- היום
- להתחקות
- להעביר
- העברות
- שתיים
- סוג
- סוגים
- נמצא בכל מקום
- הבנה
- אוניברסיטה
- לְפַעֲנֵחַ
- us
- מְשׁוּמָשׁ
- באמצעות
- בְּדֶרֶך כְּלַל
- מאוד
- היה
- מים
- דֶרֶך..
- we
- מוגדר היטב
- היו
- מה
- מתי
- אשר
- רָחָב
- עם
- בתוך
- זפירנט