Soluții mai bune pentru producerea hidrogenului ar putea să se afle doar la suprafață

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Acasă > Anunturi > Soluțiile mai bune pentru producerea hidrogenului pot fi situate doar la suprafață

Interacțiunile unice dintre oxidul de perovskit, stratul său de suprafață în schimbare și speciile de fier care sunt active față de OER deschide o nouă cale pentru proiectarea materialelor active și stabile, aducându-ne cu un pas mai aproape de producția de hidrogen verde eficientă și accesibilă. CREDIT Laboratorul Național Argonne

Rezumat:
Un viitor cu energie curată, propulsat de combustibilul cu hidrogen, depinde de descoperirea modului de împărțire a apei în mod fiabil și eficient. Asta pentru că, deși hidrogenul este abundent, trebuie să provină dintr-o altă substanță care îl conține - și astăzi, acea substanță este adesea gaz metan. Oamenii de știință caută modalități de a izola acest element purtător de energie fără a utiliza combustibili fosili. Acest lucru ar deschide calea pentru mașinile alimentate cu hidrogen, de exemplu, care emit doar apă și aer cald la țeava de eșapament.

Soluții mai bune pentru producerea hidrogenului pot sta chiar la suprafață

Argonne, IL | Postat pe 9 aprilie 2021

Apa, sau H2O, unește hidrogenul și oxigenul. Atomii de hidrogen sub formă de hidrogen molecular trebuie separați de acest compus. Acest proces depinde de un pas cheie – dar adesea lent –: reacția de evoluție a oxigenului (OER). OER este ceea ce eliberează oxigenul molecular din apă, iar controlul acestei reacții este important nu numai pentru producția de hidrogen, ci și pentru o varietate de procese chimice, inclusiv cele găsite în baterii.

„Reacția de evoluție a oxigenului face parte din atât de multe procese, așa că aplicabilitatea aici este destul de largă.” — Pietro Papa Lopes, om de știință asistent Argonne

Un studiu condus de oamenii de știință de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) luminează o calitate a schimbării formei a oxizilor de perovskiți, un tip promițător de material pentru accelerarea OER. Oxizii de perovski cuprind o serie de compuși care au toți o structură cristalină similară. Acestea conțin în mod obișnuit un metal alcalino-pământos sau lantanide, cum ar fi La și Sr, în situl A și un metal de tranziție, cum ar fi Co, în situl B, combinat cu oxigen în formula ABO3. Cercetarea oferă o perspectivă care ar putea fi folosită pentru a proiecta noi materiale nu numai pentru producerea de combustibili regenerabili, ci și pentru stocarea energiei.

Oxizii de perovski pot genera OER și sunt mai puțin scumpi decât metalele prețioase, cum ar fi iridiul sau ruteniul, care fac, de asemenea, treaba. Dar oxizii de perovskiți nu sunt la fel de activi (cu alte cuvinte, eficienți în accelerarea OER) ca aceste metale și tind să se degradeze lent.

„Înțelegerea modului în care aceste materiale pot fi active și stabile a fost o mare forță motrice pentru noi”, a spus Pietro Papa Lopes, un om de știință asistent la divizia de Știință a Materialelor din Argonne, care a condus studiul. „Am vrut să explorăm relația dintre aceste două proprietăți și modul în care aceasta se conectează la proprietățile perovskitului în sine.”

Cercetările anterioare s-au concentrat asupra proprietăților în vrac ale materialelor perovskite și asupra modului în care acestea se leagă de activitatea OER. Cercetătorii s-au întrebat, totuși, dacă există mai mult în poveste. La urma urmei, suprafața unui material, unde reacționează cu mediul înconjurător, poate fi complet diferită de restul. Exemple ca acestea sunt peste tot în natură: gândiți-vă la un avocado înjumătățit care se rumenește rapid acolo unde se întâlnește cu aerul, dar rămâne verde în interior. Pentru materialele perovskite, o suprafață care devine diferită de cea mai mare ar putea avea implicații importante asupra modului în care înțelegem proprietățile lor.

În sistemele de electrolizor de apă, care împart apa în hidrogen și oxigen, oxizii de perovskiți interacționează cu un electrolit format din apă și specii speciale de sare, creând o interfață care permite dispozitivului să funcționeze. Pe măsură ce se aplică curent electric, acea interfață este esențială în demararea procesului de împărțire a apei. „Suprafața materialului este cel mai important aspect al modului în care se va desfășura reacția de evoluție a oxigenului: de câtă tensiune aveți nevoie și cât de mult oxigen și hidrogen veți produce”, a spus Lopes.

Nu numai că suprafața oxidului de perovskit este diferită de restul materialului, dar se modifică și în timp. „Odată ce este într-un sistem electrochimic, suprafața perovskită evoluează și se transformă într-o peliculă subțire, amorfă”, a spus Lopes. „Nu este niciodată la fel ca materialul cu care începi.”

Cercetătorii au combinat calcule teoretice și experimente pentru a determina modul în care suprafața unui material perovskit evoluează în timpul OER. Pentru a face acest lucru cu precizie, ei au studiat perovskitul de oxid de cobalt de lantan și l-au reglat prin „doparea” lantanului cu stronțiu, un metal mai reactiv. Cu cât a fost adăugat mai mult stronțiu la materialul inițial, cu atât suprafața sa a evoluat mai repede și a devenit activă pentru OER - un proces pe care cercetătorii l-au putut observa la rezoluție atomică cu microscopia electronică de transmisie. Cercetătorii au descoperit că dizolvarea stronțiului și pierderea de oxigen din perovskit au determinat formarea acestui strat de suprafață amorf, ceea ce a fost explicat în continuare prin modelarea computațională efectuată cu ajutorul Centrului pentru Materiale la scară nanometrică, o facilitate pentru utilizatorii DOE Office of Science.

„Ultima piesă lipsă pentru a înțelege de ce perovskiții au fost activi față de OER a fost să exploreze rolul cantităților mici de fier prezente în electrolit”, a spus Lopes. Același grup de cercetători a descoperit recent că urmele de fier pot îmbunătăți OER pe alte suprafețe de oxid amorfi. Odată ce au stabilit că o suprafață de perovskit evoluează într-un oxid amorf, atunci a devenit clar de ce fierul era atât de important.

„Studiile computaționale îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă mecanismele de reacție care implică atât suprafața perovskită, cât și electrolitul”, a spus Peter Zapol, fizician la Argonne și coautor al studiului. „Ne-am concentrat pe mecanismele de reacție care conduc atât tendințele de activitate, cât și de stabilitate în materialele perovskite. Acest lucru nu se face de obicei în studiile computaționale, care tind să se concentreze exclusiv pe mecanismele de reacție responsabile pentru activitate.”

Studiul a constatat că suprafața oxidului de perovskit a evoluat într-o peliculă amorfă bogată în cobalt, de doar câțiva nanometri grosime. Când fierul era prezent în electrolit, fierul a ajutat la accelerarea OER, în timp ce filmul bogat în cobalt a avut un efect stabilizator asupra fierului, menținându-l activ la suprafață.

Rezultatele sugerează noi strategii potențiale pentru proiectarea materialelor perovskite - ne putem imagina crearea unui sistem cu două straturi, a spus Lopes, care este și mai stabil și capabil să promoveze OER.

„OER face parte din atât de multe procese, astfel încât aplicabilitatea aici este destul de largă”, a spus Lopes. „Înțelegerea dinamicii materialelor și a efectului lor asupra proceselor de suprafață este modul în care putem face sistemele de conversie și stocare a energiei mai bune, mai eficiente și mai accesibile.”

# # #

Studiul este descris într-o lucrare publicată și evidențiată pe coperta din 24 februarie a Journal of the American Chemical Society, „Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution”. Pe lângă Lopes și Zapol, coautorii includ Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic și John Mitchell la Argonne; Xue Rui și Robert Klie de la Universitatea Illinois din Chicago; și Haiying He la Universitatea Valparaiso. Această cercetare a fost finanțată de Biroul de Științe Energetice de bază al DOE.

####

Despre Argonne National Laboratory
Laboratorul Național Argonne caută soluții la probleme naționale presante din știință și tehnologie. Primul laborator național al națiunii, Argonne efectuează cercetări științifice de bază și aplicate de vârf în aproape fiecare disciplină științifică. Cercetătorii Argonne lucrează îndeaproape cu cercetători de la sute de companii, universități și agenții federale, de stat și municipale pentru a-i ajuta să-și rezolve problemele specifice, să promoveze conducerea științifică a Americii și să pregătească națiunea pentru un viitor mai bun. Cu angajați din peste 60 de țări, Argonne este administrat de UChicago Argonne, LLC pentru Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA.

Despre Centrul Argonne pentru materiale la scară nanometrică

Centrul pentru Materiale la scară nanometrică este unul dintre cele cinci Centre de cercetare științifică DOE la scară nanometrică, facilități naționale de premiere pentru utilizatori pentru cercetare interdisciplinară la scară nanometrică, susținute de Oficiul pentru Știință DOE. Împreună, NSRC-urile cuprind o suită de facilități complementare care oferă cercetătorilor capacități de ultimă generație pentru a fabrica, procesa, caracteriza și modela materiale la scară nanometrică și constituie cea mai mare investiție în infrastructură a Inițiativei Naționale de Nanotehnologie. NSRC-urile sunt situate la laboratoarele naționale DOE Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia și Los Alamos. Pentru mai multe informații despre DOE NSRC, vă rugăm să vizitați https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Biroul de Știință al Departamentului Energiei din SUA este cel mai mare susținător al cercetării fundamentale în științe fizice din Statele Unite și lucrează pentru a aborda unele dintre cele mai presante provocări ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați https://energy.gov/science .

Pentru mai multe informații, faceți clic pe aici

Contacte:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Dacă aveți un comentariu, vă rog Contact ne.

Emitenții de comunicate de știri, nu 7th Wave, Inc. sau Nanotechnology Now, sunt singuri responsabili pentru acuratețea conținutului.

Bookmark: