Betere oplossingen voor het maken van waterstof liggen mogelijk aan de oppervlakte

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Home > Media > Betere oplossingen voor het maken van waterstof liggen wellicht aan de oppervlakte

De unieke interacties tussen perovskietoxide, de veranderende oppervlaktelaag ervan en ijzersoorten die actief zijn in de richting van de OER effenen een nieuw pad voor het ontwerp van actieve en stabiele materialen, waardoor we een stap dichter bij een efficiënte en betaalbare groene waterstofproductie komen. KREDIET Nationaal Laboratorium Argonne

Abstract:
Een schone energietoekomst aangedreven door waterstofbrandstof hangt af van het uitzoeken hoe water betrouwbaar en efficiënt kan worden gesplitst. Dat komt omdat, ook al is waterstof in overvloed aanwezig, het afkomstig moet zijn van een andere stof die het bevat – en tegenwoordig is die stof vaak methaangas. Wetenschappers zoeken naar manieren om dit energiedragende element te isoleren zonder gebruik te maken van fossiele brandstoffen. Dat zou de weg vrijmaken voor bijvoorbeeld auto's op waterstof, die bij de uitlaat alleen water en warme lucht uitstoten.

Mogelijk liggen er betere oplossingen voor het maken van waterstof aan de oppervlakte

Argonne, Illinois | Geplaatst op 9 april 2021

Water, of H2O, verenigt waterstof en zuurstof. Van deze verbinding moeten waterstofatomen in de vorm van moleculaire waterstof worden gescheiden. Dat proces is afhankelijk van een belangrijke – maar vaak langzame – stap: de zuurstofevolutiereactie (OER). De OER maakt moleculaire zuurstof vrij uit water, en het beheersen van deze reactie is niet alleen belangrijk voor de waterstofproductie, maar ook voor een verscheidenheid aan chemische processen, waaronder die in batterijen.

"De zuurstofevolutiereactie is een onderdeel van zoveel processen, dus de toepasbaarheid hier is vrij breed." — Pietro Papa Lopes, assistent-wetenschapper in Argonne

Een studie onder leiding van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) belicht een vormveranderende kwaliteit in perovskietoxiden, een veelbelovend type materiaal voor het versnellen van de OER. Perovskietoxiden omvatten een reeks verbindingen die allemaal een vergelijkbare kristallijne structuur hebben. Ze bevatten doorgaans een aardalkalimetaal of lanthaniden zoals La en Sr op de A-plaats, en een overgangsmetaal zoals Co op de B-plaats, gecombineerd met zuurstof in de formule ABO3. Het onderzoek levert inzichten op die kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwerpen, niet alleen voor het maken van hernieuwbare brandstoffen, maar ook voor het opslaan van energie.

Perovskietoxiden kunnen de OER tot stand brengen, en ze zijn goedkoper dan edelmetalen zoals iridium of ruthenium, die dit werk ook doen. Maar perovskietoxiden zijn niet zo actief (met andere woorden, efficiënt in het versnellen van de OER) als deze metalen, en ze hebben de neiging langzaam af te breken.

"Het begrijpen van hoe deze materialen actief en stabiel kunnen zijn, was een grote drijvende kracht voor ons", zegt Pietro Papa Lopes, assistent-wetenschapper bij de afdeling Materials Science in Argonne die het onderzoek leidde. “We wilden de relatie tussen deze twee eigenschappen onderzoeken en hoe dat verband houdt met de eigenschappen van de perovskiet zelf.”

Eerder onderzoek heeft zich geconcentreerd op de bulkeigenschappen van perovskietmaterialen en hoe deze zich verhouden tot de OER-activiteit. De onderzoekers vroegen zich echter af of er meer aan de hand was. Het oppervlak van een materiaal, waar het reageert met zijn omgeving, kan immers totaal anders zijn dan de rest. Voorbeelden zoals deze zijn overal in de natuur te vinden: denk aan een gehalveerde avocado die snel bruin wordt waar hij in aanraking komt met de lucht, maar van binnen groen blijft. Voor perovskietmaterialen kan een oppervlak dat anders wordt dan de massa belangrijke implicaties hebben voor hoe we hun eigenschappen begrijpen.

In waterelektrolysesystemen, die water in waterstof en zuurstof splitsen, interageren perovskietoxiden met een elektrolyt gemaakt van water en speciale zoutsoorten, waardoor een interface ontstaat waarmee het apparaat kan werken. Wanneer elektrische stroom wordt toegepast, is die interface van cruciaal belang voor het op gang brengen van het watersplitsingsproces. "Het oppervlak van het materiaal is het belangrijkste aspect van hoe de zuurstofevolutiereactie zal verlopen: hoeveel spanning je nodig hebt en hoeveel zuurstof en waterstof je gaat produceren," zei Lopes.

Niet alleen verschilt het oppervlak van het perovskietoxide van de rest van het materiaal, het verandert ook in de loop van de tijd. “Als het eenmaal in een elektrochemisch systeem zit, evolueert het perovskietoppervlak en verandert het in een dunne, amorfe film,” zei Lopes. “Het is nooit echt hetzelfde als het materiaal waarmee je begint.”

De onderzoekers combineerden theoretische berekeningen en experimenten om te bepalen hoe het oppervlak van een perovskietmateriaal evolueert tijdens de OER. Om dit met precisie te doen, bestudeerden ze lanthaankobaltoxide-perovskiet en stemden het af door het lanthaan te ‘doteren’ met strontium, een reactiever metaal. Hoe meer strontium aan het oorspronkelijke materiaal werd toegevoegd, hoe sneller het oppervlak zich ontwikkelde en actief werd voor de OER – een proces dat de onderzoekers met transmissie-elektronenmicroscopie met atomaire resolutie konden waarnemen. De onderzoekers ontdekten dat het oplossen van strontium en zuurstofverlies uit de perovskiet de vorming van deze amorfe oppervlaktelaag aandreven, wat verder werd verklaard door computationele modellering uitgevoerd met behulp van het Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science User Facility.

“Het laatste ontbrekende stukje om te begrijpen waarom de perovskieten actief waren in de richting van de OER was het onderzoeken van de rol van kleine hoeveelheden ijzer in de elektrolyt,” zei Lopes. Dezelfde groep onderzoekers ontdekte onlangs dat sporen van ijzer de OER op andere amorfe oxideoppervlakken kunnen verbeteren. Toen ze eenmaal hadden vastgesteld dat een perovskietoppervlak evolueert naar een amorf oxide, werd duidelijk waarom ijzer zo belangrijk was.

"Computationele studies helpen wetenschappers reactiemechanismen te begrijpen waarbij zowel het perovskietoppervlak als de elektrolyt betrokken zijn", zegt Peter Zapol, natuurkundige bij Argonne en co-auteur van het onderzoek. “We hebben ons gericht op reactiemechanismen die zowel activiteits- als stabiliteitstrends in perovskietmaterialen aandrijven. Dit wordt doorgaans niet gedaan in computerstudies, die zich doorgaans uitsluitend richten op de reactiemechanismen die verantwoordelijk zijn voor de activiteit.”

Uit de studie bleek dat het oppervlak van het perovskietoxide evolueerde naar een kobaltrijke amorfe film van slechts enkele nanometers dik. Als er ijzer in de elektrolyt aanwezig was, hielp het ijzer de OER te versnellen, terwijl de kobaltrijke film een stabiliserend effect op het ijzer had, waardoor het aan het oppervlak actief bleef.

De resultaten suggereren nieuwe potentiële strategieën voor het ontwerpen van perovskietmaterialen - je kunt je voorstellen dat er een tweelaags systeem ontstaat, zei Lopes, dat nog stabieler is en in staat is om de open leermiddelen te bevorderen.

“De OER maakt deel uit van zoveel processen, dus de toepasbaarheid hier is vrij breed”, aldus Lopes. “Door de dynamiek van materialen en hun effect op de oppervlakteprocessen te begrijpen, kunnen we energieconversie- en opslagsystemen beter, efficiënter en betaalbaarder maken.”

###

De studie wordt beschreven in een artikel dat op 24 februari is gepubliceerd en benadrukt op de cover van het Journal of the American Chemical Society, “Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials while the Oxygen Evolution.” Naast Lopes en Zapol zijn coauteurs onder meer Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic en John Mitchell in Argonne; Xue Rui en Robert Klie aan de Universiteit van Illinois in Chicago; en Haiying He aan de Universiteit van Valparaiso. Dit onderzoek werd gefinancierd door DOE's Office of Basic Energy Sciences.

####

Over Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory zoekt oplossingen voor dringende nationale problemen in wetenschap en technologie. Argonne, het eerste nationale laboratorium van het land, voert toonaangevend fundamenteel en toegepast wetenschappelijk onderzoek uit in vrijwel elke wetenschappelijke discipline. Argonne-onderzoekers werken nauw samen met onderzoekers van honderden bedrijven, universiteiten en federale, staats- en gemeentelijke instanties om hen te helpen hun specifieke problemen op te lossen, het wetenschappelijke leiderschap van Amerika te bevorderen en het land voor te bereiden op een betere toekomst. Argonne heeft werknemers uit meer dan 60 landen en wordt beheerd door UChicago Argonne, LLC voor het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Over Argonne's Center for Nanoscale Materials

Het Center for Nanoscale Materials is een van de vijf DOE Nanoscale Science Research Centers, vooraanstaande nationale gebruikersfaciliteiten voor interdisciplinair onderzoek op nanoschaal, ondersteund door het DOE Office of Science. Samen omvatten de NSRC's een reeks complementaire faciliteiten die onderzoekers de modernste mogelijkheden bieden om materialen op nanoschaal te fabriceren, verwerken, karakteriseren en modelleren, en vormen ze de grootste infrastructuurinvestering van het National Nanotechnology Initiative. De NSRC's zijn gevestigd in DOE's Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos National Laboratories. Voor meer informatie over de DOE NSRC's kunt u terecht op https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Voor meer informatie bezoek https://energy.gov/science .

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Diana Anderson
630-252-4593

@Argonne

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: