Lepsze rozwiązania w zakresie wytwarzania wodoru mogą znajdować się bezpośrednio na powierzchni

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Strona główna > Naciśnij przycisk > Lepsze rozwiązania w zakresie wytwarzania wodoru mogą znajdować się tuż na powierzchni

Unikalne interakcje między tlenkiem perowskitu, jego zmieniającą się warstwą powierzchniową i formami żelaza aktywnymi w kierunku OER torują nową ścieżkę projektowania aktywnych i stabilnych materiałów, przybliżając nas o krok do wydajnej i niedrogiej produkcji zielonego wodoru. Krajowe Laboratorium CREDIT Argonne

Abstrakcyjny:
Przyszłość czystej energii napędzanej paliwem wodorowym zależy od znalezienia sposobu niezawodnego i wydajnego rozdziału wody. Dzieje się tak dlatego, że chociaż wodór występuje w dużych ilościach, musi pochodzić z innej substancji, która go zawiera – a obecnie tą substancją jest często metan. Naukowcy szukają sposobów na wyizolowanie tego pierwiastka przenoszącego energię bez użycia paliw kopalnych. Utorowałoby to drogę na przykład samochodom napędzanym wodorem, które z rury wydechowej emitują jedynie wodę i ciepłe powietrze.

Lepsze rozwiązania w zakresie wytwarzania wodoru mogą znajdować się tuż przy powierzchni

Argonne, Illinois | Opublikowano 9 kwietnia 2021 r

Woda lub H2O łączy wodór i tlen. Z tego związku należy oddzielić atomy wodoru w postaci wodoru cząsteczkowego. Proces ten zależy od kluczowego – choć często powolnego – etapu: reakcji wydzielania tlenu (OER). OER uwalnia tlen cząsteczkowy z wody, a kontrolowanie tej reakcji jest ważne nie tylko dla produkcji wodoru, ale także dla różnych procesów chemicznych, w tym zachodzących w bateriach.

„Reakcja wydzielania tlenu jest częścią tak wielu procesów, więc jej zastosowanie jest dość szerokie”. — Pietro Papa Lopes, asystent naukowy Argonne

Badanie przeprowadzone przez naukowców z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) rzuca światło na zdolność do zmiany kształtu tlenków perowskitu, obiecującego rodzaju materiału przyspieszającego OER. Tlenki perowskitu obejmują szereg związków, które mają podobną strukturę krystaliczną. Zwykle zawierają metal ziem alkalicznych lub lantanowce, takie jak La i Sr, w miejscu A oraz metal przejściowy, taki jak Co w miejscu B, w połączeniu z tlenem we wzorze ABO3. Badanie dostarcza wiedzy, którą można wykorzystać do zaprojektowania nowych materiałów nie tylko do wytwarzania paliw odnawialnych, ale także do magazynowania energii.

Tlenki perowskitu mogą powodować OER i są tańsze niż metale szlachetne, takie jak iryd czy ruten, które również spełniają to zadanie. Jednak tlenki perowskitu nie są tak aktywne (innymi słowy, skuteczne w przyspieszaniu OER) jak te metale i mają tendencję do powolnej degradacji.

„Zrozumienie, w jaki sposób te materiały mogą być aktywne i stabilne, było dla nas dużą siłą napędową” – powiedział Pietro Papa Lopes, asystent naukowy w dziale materiałoznawstwa firmy Argonne, który kierował badaniem. „Chcieliśmy zbadać związek między tymi dwiema właściwościami i sposób, w jaki łączy się to z właściwościami samego perowskitu”.

Poprzednie badania koncentrowały się na właściwościach masowych materiałów perowskitowych i ich powiązaniu z aktywnością OER. Badacze zastanawiali się jednak, czy w tej historii kryje się coś więcej. Przecież powierzchnia materiału, w którym wchodzi on w reakcję z otoczeniem, może być zupełnie inna od pozostałych. Tego typu przykłady można znaleźć wszędzie w przyrodzie: pomyśl o przekrojonym na pół awokado, które szybko brązowieje w miejscu kontaktu z powietrzem, ale w środku pozostaje zielone. W przypadku materiałów perowskitowych powierzchnia różniąca się od masy może mieć istotne implikacje dla zrozumienia ich właściwości.

W układach elektrolizerów wodnych, które dzielą wodę na wodór i tlen, tlenki perowskitu oddziałują z elektrolitem składającym się z wody i specjalnych form soli, tworząc interfejs umożliwiający pracę urządzenia. Po przyłożeniu prądu elektrycznego interfejs ten odgrywa kluczową rolę w rozpoczęciu procesu rozszczepiania wody. „Powierzchnia materiału jest najważniejszym aspektem przebiegu reakcji wydzielania tlenu: jakiego napięcia potrzebujesz oraz ile tlenu i wodoru będziesz produkować” – powiedział Lopes.

Powierzchnia tlenku perowskitu nie tylko różni się od reszty materiału, ale także zmienia się w czasie. „Po wejściu w układ elektrochemiczny powierzchnia perowskitu ewoluuje i zamienia się w cienką, amorficzną warstwę” – powiedział Lopes. „To nigdy nie jest to samo, co materiał, od którego zaczynasz”.

Naukowcy połączyli obliczenia teoretyczne i eksperymenty, aby określić, w jaki sposób powierzchnia materiału perowskitowego ewoluuje podczas OER. Aby tego dokonać precyzyjnie, zbadali perowskit z tlenku lantanu i kobaltu i dostroili go, „domieszkując” lantan strontem, bardziej reaktywnym metalem. Im więcej strontu dodano do materiału wyjściowego, tym szybciej jego powierzchnia ewoluowała i stała się aktywna dla OER — proces, który badacze mogli obserwować z rozdzielczością atomową za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Naukowcy odkryli, że rozpuszczanie strontu i utrata tlenu z perowskitu napędzają powstawanie tej amorficznej warstwy powierzchniowej, co wyjaśniono dalej poprzez modelowanie obliczeniowe wykonane przy użyciu Centrum Materiałów w Nanoskali, placówki Biura Naukowego DOE.

„Ostatnim brakującym elementem pozwalającym zrozumieć, dlaczego perowskity wykazują aktywność w stosunku do OER, było zbadanie roli niewielkich ilości żelaza obecnego w elektrolicie” – powiedział Lopes. Ta sama grupa badaczy odkryła niedawno, że ślady żelaza mogą poprawić OER na innych powierzchniach z amorficznych tlenków. Kiedy ustalili, że powierzchnia perowskitu przekształca się w amorficzny tlenek, stało się jasne, dlaczego żelazo jest tak ważne.

„Badania obliczeniowe pomagają naukowcom zrozumieć mechanizmy reakcji, które obejmują zarówno powierzchnię perowskitu, jak i elektrolit” – powiedział Peter Zapol, fizyk z Argonne i współautor badania. „Skoncentrowaliśmy się na mechanizmach reakcji, które napędzają trendy zarówno w zakresie aktywności, jak i stabilności materiałów perowskitowych. Zwykle nie robi się tego w badaniach obliczeniowych, które zwykle skupiają się wyłącznie na mechanizmach reakcji odpowiedzialnych za dane działanie.

Badanie wykazało, że powierzchnia tlenku perowskitu przekształciła się w bogatą w kobalt amorficzną warstwę o grubości zaledwie kilku nanometrów. Gdy żelazo było obecne w elektrolicie, pomagało przyspieszyć OER, podczas gdy bogata w kobalt warstwa działała stabilizująco na żelazo, utrzymując jego aktywność na powierzchni.

Wyniki sugerują nowe potencjalne strategie projektowania materiałów perowskitowych — można sobie wyobrazić utworzenie systemu dwuwarstwowego, powiedział Lopes, który jest jeszcze bardziej stabilny i zdolny do promowania OER.

„OER są częścią tak wielu procesów, więc zastosowanie w tym przypadku jest dość szerokie” – powiedział Lopes. „Zrozumienie dynamiki materiałów i ich wpływu na procesy powierzchniowe pomoże nam ulepszyć, wydajniej i taniej systemy konwersji i magazynowania energii”.

# # #

Badanie opisano w artykule opublikowanym i podkreślonym na okładce czasopisma Journal of the American Chemical Society z 24 lutego, „Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials podczas the Oxygen Evolution”. Oprócz Lopesa i Zapola współautorami są Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic i John Mitchell z Argonne; Xue Rui i Robert Klie z Uniwersytetu Illinois w Chicago; i Haiying He na Uniwersytecie Valparaiso. Badania te zostały sfinansowane przez Biuro Podstawowych Nauk o Energii DOE.

####

O Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory poszukuje rozwiązań dla palących krajowych problemów w nauce i technologii. Argonne, pierwsze krajowe laboratorium w kraju, prowadzi wiodące badania podstawowe i stosowane w praktycznie każdej dyscyplinie naukowej. Badacze z Argonne ściśle współpracują z naukowcami z setek firm, uniwersytetów oraz agencji federalnych, stanowych i miejskich, aby pomóc im rozwiązać ich specyficzne problemy, wzmocnić amerykańskie przywództwo naukowe i przygotować kraj na lepszą przyszłość. Zatrudniająca pracowników z ponad 60 krajów, Argonne jest zarządzana przez UChicago Argonne, LLC dla Biura Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

O Centrum materiałów w nanoskali Argonne

Centrum Materiałów Nanoskalowych jest jednym z pięciu Centrów Badań Naukowych DOE w Nanoskali, wiodących krajowych obiektów dla użytkowników zajmujących się interdyscyplinarnymi badaniami w nanoskali, wspieranych przez Biuro Naukowe DOE. Razem centra NSRC stanowią zestaw uzupełniających się obiektów, które zapewniają naukowcom najnowocześniejsze możliwości wytwarzania, przetwarzania, charakteryzowania i modelowania materiałów w skali nano, co stanowi największą inwestycję infrastrukturalną w ramach Krajowej Inicjatywy Nanotechnologicznej. Lokalizacje NSRC znajdują się w laboratoriach krajowych DOE Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Więcej informacji na temat DOE NSRC można znaleźć na stronie https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych jest największym pojedynczym podmiotem wspierającym badania podstawowe w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych i stara się sprostać niektórym z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Po więcej informacji odwiedź https://energy.gov/science .

Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj

Łączność:
Dianę Anderson
630-252-4593

@argonia

Prawa autorskie © Argonne National Laboratory

Jeśli masz komentarz, proszę Kontakt my.

Wydawcy komunikatów prasowych, a nie 7th Wave, Inc. lub Nanotechnology Now, ponoszą wyłączną odpowiedzialność za dokładność treści.

Zakładka: