Bedre løsninger for å få hydrogen til å ligge bare på overflaten

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Bedre løsninger for å lage hydrogen kan ligge like ved overflaten

De unike interaksjonene mellom perovskittoksid, dets skiftende overflatelag og jernarter som er aktive mot OER baner en ny vei for utforming av aktive og stabile materialer, og bringer oss ett skritt nærmere effektiv og rimelig grønn hydrogenproduksjon. KREDITT Argonne National Laboratory

Abstrakt:
En fremtid for ren energi drevet av hydrogendrivstoff avhenger av å finne ut hvordan man kan dele vann pålitelig og effektivt. Det er fordi, selv om hydrogen er rikelig, må det være avledet fra et annet stoff som inneholder det - og i dag er det stoffet ofte metangass. Forskere leter etter måter å isolere dette energibærende elementet uten å bruke fossilt brensel. Det ville bane vei for for eksempel hydrogendrevne biler som bare slipper ut vann og varm luft ved utløpet.

Bedre løsninger for å lage hydrogen kan ligge like ved overflaten

Argonne, IL | Lagt ut 9. april 2021

Vann, eller H2O, forener hydrogen og oksygen. Hydrogenatomer i form av molekylært hydrogen må skilles ut fra denne forbindelsen. Den prosessen avhenger av et viktig - men ofte sakte - trinn: oksygenutviklingsreaksjonen (OER). OER er det som frigjør molekylært oksygen fra vann, og å kontrollere denne reaksjonen er viktig ikke bare for hydrogenproduksjon, men en rekke kjemiske prosesser, inkludert de som finnes i batterier.

"Oksygenutviklingsreaksjonen er en del av så mange prosesser, så anvendeligheten her er ganske bred." — Pietro Papa Lopes, assistentforsker i Argonne

En studie ledet av forskere ved U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory belyser en formskiftende kvalitet i perovskittoksider, en lovende type materiale for å øke hastigheten på OER. Perovskittoksider omfatter en rekke forbindelser som alle har en lignende krystallinsk struktur. De inneholder typisk et jordalkalimetall eller lantanider som La og Sr i A-stedet, og et overgangsmetall som Co i B-stedet, kombinert med oksygen i formelen ABO3. Forskningen gir innsikt som kan brukes til å designe nye materialer, ikke bare for å lage fornybart drivstoff, men også for å lagre energi.

Perovskittoksider kan forårsake OER, og de er rimeligere enn edle metaller som iridium eller rutenium som også gjør jobben. Men perovskittoksider er ikke like aktive (med andre ord effektive til å akselerere OER) som disse metallene, og de har en tendens til å brytes sakte ned.

"Å forstå hvordan disse materialene kan være aktive og stabile var en stor drivkraft for oss," sa Pietro Papa Lopes, en assisterende vitenskapsmann i Argonnes Materials Science-avdeling som ledet studien. "Vi ønsket å utforske forholdet mellom disse to egenskapene og hvordan det kobles til egenskapene til selve perovskitten."

Tidligere forskning har fokusert på bulkegenskapene til perovskittmaterialer og hvordan de relaterer seg til OER-aktiviteten. Forskerne lurte imidlertid på om det var mer i historien. Tross alt kan overflaten til et materiale, der det reagerer med omgivelsene, være helt forskjellig fra resten. Eksempler som dette finnes overalt i naturen: tenk på en halvert avokado som raskt brunes der den møter luften, men forblir grønn inni. For perovskittmaterialer kan en overflate som blir forskjellig fra bulken ha viktige implikasjoner for hvordan vi forstår egenskapene deres.

I vannelektrolysesystemer, som deler vann i hydrogen og oksygen, samhandler perovskittoksider med en elektrolytt laget av vann og spesielle saltarter, og skaper et grensesnitt som lar enheten fungere. Når elektrisk strøm påføres, er grensesnittet avgjørende for å starte vannsplittingsprosessen. "Materialets overflate er det viktigste aspektet av hvordan oksygenutviklingsreaksjonen vil foregå: Hvor mye spenning du trenger, og hvor mye oksygen og hydrogen du kommer til å produsere," sa Lopes.

Ikke bare er perovskittoksidets overflate forskjellig fra resten av materialet, den endrer seg også over tid. "Når den er i et elektrokjemisk system, utvikler perovskittoverflaten seg og blir til en tynn, amorf film," sa Lopes. "Det er egentlig aldri det samme som materialet du starter med."

Forskerne kombinerte teoretiske beregninger og eksperimenter for å bestemme hvordan overflaten til et perovskittmateriale utvikler seg under OER. For å gjøre det med presisjon, studerte de lantankoboltoksidperovskitt og stilte den ved å "dope" lantanet med strontium, et mer reaktivt metall. Jo mer strontium som ble tilsatt til det opprinnelige materialet, desto raskere utviklet overflaten seg og ble aktiv for OER - en prosess forskerne var i stand til å observere ved atomoppløsning med transmisjonselektronmikroskopi. Forskerne fant at strontiumoppløsning og oksygentap fra perovskitten drev dannelsen av dette amorfe overflatelaget, noe som ble ytterligere forklart av beregningsmodellering utført ved hjelp av Center for Nanoscale Materials, et DOE Office of Science User Facility.

"Den siste manglende delen for å forstå hvorfor perovskittene var aktive mot OER, var å utforske rollen til små mengder jern i elektrolytten," sa Lopes. Den samme gruppen forskere oppdaget nylig at spor av jern kan forbedre OER på andre amorfe oksidoverflater. Når de fant ut at en perovskittoverflate utvikler seg til et amorft oksid, ble det klart hvorfor jern var så viktig.

"Beregningsstudier hjelper forskere med å forstå reaksjonsmekanismer som involverer både perovskittoverflaten og elektrolytten," sa Peter Zapol, fysiker ved Argonne og studiemedforfatter. "Vi fokuserte på reaksjonsmekanismer som driver både aktivitets- og stabilitetstrender i perovskittmaterialer. Dette gjøres vanligvis ikke i beregningsstudier, som har en tendens til å fokusere utelukkende på reaksjonsmekanismene som er ansvarlige for aktiviteten."

Studien fant at perovskittoksidets overflate utviklet seg til en koboltrik amorf film bare noen få nanometer tykk. Når jern var tilstede i elektrolytten, bidro jernet til å akselerere OER, mens den koboltrike filmen hadde en stabiliserende effekt på jernet, og holdt det aktivt på overflaten.

Resultatene antyder nye potensielle strategier for utforming av perovskittmaterialer - man kan tenke seg å lage et tolagssystem, sa Lopes, som er enda mer stabilt og i stand til å fremme OER.

"OER er en del av så mange prosesser, så anvendeligheten her er ganske bred," sa Lopes. "Å forstå dynamikken til materialer og deres effekt på overflateprosessene er hvordan vi kan gjøre energikonverterings- og lagringssystemer bedre, mer effektive og rimelige."

# # #

Studien er beskrevet i en artikkel publisert og fremhevet på forsiden av Journal of the American Chemical Society 24. februar, "Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution." I tillegg til Lopes og Zapol inkluderer medforfattere Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic og John Mitchell på Argonne; Xue Rui og Robert Klie ved University of Illinois i Chicago; og Haiying He ved Valparaiso University. Denne forskningen ble finansiert av DOEs Office of Basic Energy Sciences.

####

Om Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory søker løsninger på presserende nasjonale problemer innen vitenskap og teknologi. Nasjonens første nasjonale laboratorium, Argonne, driver ledende grunnleggende og anvendt vitenskapelig forskning i praktisk talt alle vitenskapelige disipliner. Argonne-forskere jobber tett med forskere fra hundrevis av selskaper, universiteter og føderale, statlige og kommunale etater for å hjelpe dem med å løse deres spesifikke problemer, fremme USAs vitenskapelige lederskap og forberede nasjonen for en bedre fremtid. Med ansatte fra mer enn 60 nasjoner administreres Argonne av UChicago Argonne, LLC for US Department of Energy's Office of Science.

Om Argonnes senter for nanoskala materialer

Center for Nanoscale Materials er et av de fem DOE Nanoscale Science Research Centers, fremste nasjonale brukerfasiliteter for tverrfaglig forskning på nanoskala støttet av DOE Office of Science. Sammen utgjør NSRC-ene en pakke med komplementære fasiliteter som gir forskere toppmoderne evner til å fremstille, behandle, karakterisere og modellere materialer i nanoskala, og utgjør den største infrastrukturinvesteringen til National Nanotechnology Initiative. NSRC-ene er lokalisert ved DOEs Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos National Laboratories. For mer informasjon om DOE NSRCs, vennligst besøk https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

US Department of Energy's Office of Science er den største enkeltstående støttespilleren for grunnforskning innen fysiske vitenskaper i USA og jobber med å løse noen av de mest presserende utfordringene i vår tid. For mer informasjon, besøk https://energy.gov/science .

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Diana Andersen
630-252-4593

@argonne

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: