Лучшие решения для производства водорода могут находиться прямо на поверхности

Переиздано Платоном

Читают: 0

Главная > Нажмите > Лучшие решения по производству водорода могут лежать на поверхности

Уникальные взаимодействия между оксидом перовскита, его изменяющимся поверхностным слоем и видами железа, которые активны в отношении OER, открывают новый путь для разработки активных и стабильных материалов, приближая нас на один шаг к эффективному и доступному производству зеленого водорода. КРЕДИТ Аргоннская национальная лаборатория

Абстрактные:
Будущее чистой энергетики, основанной на водородном топливе, зависит от выяснения того, как надежно и эффективно расщеплять воду. Это потому, что, хотя водорода много, он должен быть получен из другого вещества, которое его содержит — и сегодня этим веществом часто является газ метан. Ученые ищут способы изолировать этот энергонесущий элемент без использования ископаемого топлива. Это проложит путь, например, к автомобилям, работающим на водороде, которые выбрасывают в выхлопную трубу только воду и теплый воздух.

Лучшие решения для производства водорода могут лежать только на поверхности

Аргонн, Иллинойс | Опубликовано 9 апреля 2021 г.

Вода, или H2O, объединяет водород и кислород. Из этого соединения необходимо выделить атомы водорода в виде молекулярного водорода. Этот процесс зависит от ключевого — но часто медленного — этапа: реакции выделения кислорода (OER). OER — это то, что высвобождает молекулярный кислород из воды, и контроль этой реакции важен не только для производства водорода, но и для различных химических процессов, в том числе происходящих в батареях.

«Реакция выделения кислорода является частью очень многих процессов, поэтому ее применимость здесь довольно широка». — Пьетро Папа Лопес, научный сотрудник Аргонна

Исследование, проведенное учеными из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), проливает свет на свойство менять форму оксидов перовскита, многообещающего типа материала для ускорения ООР. Оксиды перовскита включают ряд соединений, которые имеют схожую кристаллическую структуру. Обычно они содержат щелочноземельный металл или лантаноиды, такие как La и Sr, в A-позиции, а также переходный металл, такой как Co, в B-позиции, в сочетании с кислородом в формуле ABO3. Исследование дает представление, которое можно использовать для разработки новых материалов не только для производства возобновляемого топлива, но и для хранения энергии.

Оксиды перовскита могут привести к ООР, и они дешевле, чем драгоценные металлы, такие как иридий или рутений, которые также выполняют эту работу. Но оксиды перовскита не так активны (другими словами, не эффективны в ускорении ОЭР), как эти металлы, и имеют тенденцию медленно разлагаться.

«Понимание того, как эти материалы могут быть активными и стабильными, было для нас большой движущей силой», — сказал Пьетро Папа Лопес, научный сотрудник отдела материаловедения Аргоннского университета, который руководил исследованием. «Мы хотели изучить взаимосвязь между этими двумя свойствами и то, как она связана со свойствами самого перовскита».

Предыдущие исследования были сосредоточены на объемных свойствах перовскитных материалов и на том, как они связаны с деятельностью ООР. Однако исследователи задавались вопросом, есть ли в этой истории что-то еще. Ведь поверхность материала, на которой он взаимодействует с окружающей средой, может совершенно отличаться от остальной. Подобные примеры можно найти повсюду в природе: представьте себе разрезанный пополам авокадо, который быстро становится коричневым на воздухе, но остается зеленым внутри. Для перовскитных материалов поверхность, которая отличается от основной массы, может иметь важные последствия для того, как мы понимаем их свойства.

В системах электролиза воды, которые расщепляют воду на водород и кислород, оксиды перовскита взаимодействуют с электролитом, состоящим из воды и особых видов солей, создавая интерфейс, который позволяет устройству работать. При подаче электрического тока этот интерфейс имеет решающее значение для запуска процесса расщепления воды. «Поверхность материала является наиболее важным аспектом того, как будет протекать реакция выделения кислорода: какое напряжение вам нужно и сколько кислорода и водорода вы собираетесь производить», — сказал Лопес.

Поверхность оксида перовскита не только отличается от остального материала, но и меняется со временем. «Попадая в электрохимическую систему, поверхность перовскита развивается и превращается в тонкую аморфную пленку», — сказал Лопес. «Это никогда не бывает таким же, как материал, с которого вы начинаете».

Исследователи объединили теоретические расчеты и эксперименты, чтобы определить, как поверхность перовскитного материала развивается во время ООР. Чтобы сделать это с точностью, они изучили перовскит оксида лантана-кобальта и настроили его, «допируя» лантан стронцием, более активным металлом. Чем больше стронция добавлялось к исходному материалу, тем быстрее его поверхность развивалась и становилась активной для ОЭР — процесс, который исследователи смогли наблюдать с атомным разрешением с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Исследователи обнаружили, что растворение стронция и потеря кислорода из перовскита способствовали образованию этого аморфного поверхностного слоя, что было дополнительно объяснено с помощью компьютерного моделирования, выполненного с использованием Центра наноразмерных материалов, пользовательского офиса Министерства энергетики США.

«Последним недостающим элементом, позволяющим понять, почему перовскиты были активны в отношении OER, было изучение роли небольшого количества железа, присутствующего в электролите», — сказал Лопес. Та же группа исследователей недавно обнаружила, что следы железа могут улучшить OER на других поверхностях аморфных оксидов. Как только они определили, что поверхность перовскита превращается в аморфный оксид, стало ясно, почему железо так важно.

«Вычислительные исследования помогают ученым понять механизмы реакции, в которых участвуют как поверхность перовскита, так и электролит», — сказал Питер Запол, физик из Аргонна и соавтор исследования. «Мы сосредоточились на механизмах реакций, которые определяют тенденции активности и стабильности перовскитных материалов. Обычно этого не делают в компьютерных исследованиях, которые, как правило, сосредотачиваются исключительно на механизмах реакции, ответственных за активность».

Исследование показало, что поверхность оксида перовскита превратилась в богатую кобальтом аморфную пленку толщиной всего несколько нанометров. Когда в электролите присутствовало железо, оно помогало ускорить ОЭР, а богатая кобальтом пленка оказывала стабилизирующее воздействие на железо, сохраняя его активность на поверхности.

Результаты предлагают новые потенциальные стратегии разработки перовскитных материалов — можно представить себе создание двухслойной системы, сказал Лопес, которая будет еще более стабильной и способна способствовать ООР.

«ООР является частью очень многих процессов, поэтому его применимость здесь довольно широка», — сказал Лопес. «Понимание динамики материалов и их влияния на поверхностные процессы — это то, как мы можем сделать системы преобразования и хранения энергии лучше, эффективнее и доступнее».

###

Исследование описано в статье, опубликованной и выделенной на обложке журнала Американского химического общества от 24 февраля «Динамически стабильные активные центры в результате поверхностной эволюции перовскитных материалов во время эволюции кислорода». Помимо Лопеса и Заполя, соавторами являются Донг Ён Чунг, Хун Чжэн, Педро Фаринаццо Бергамо Диас Мартинс, Душан Стрмчник, Воислав Стаменкович, Ненад Маркович и Джон Митчелл из Аргонны; Сюэ Жуй и Роберт Кли из Университета Иллинойса в Чикаго; и Хайин Хэ из Университета Вальпараисо. Это исследование финансировалось Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.

####

Об Аргоннской национальной лаборатории
Аргоннская национальная лаборатория занимается поиском решений насущных национальных проблем в области науки и технологий. Аргонн - первая в стране национальная лаборатория, которая проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи Аргонны тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, федеральных, государственных и муниципальных агентств, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить страну к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, находится под управлением UChicago Argonne, LLC для Управления науки Министерства энергетики США.

О Центре наноразмерных материалов Аргонна

Центр наноразмерных материалов является одним из пяти центров наномасштабных научных исследований Министерства энергетики США, ведущих национальных пользовательских центров для междисциплинарных исследований в наномасштабе, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC представляют собой набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшую инфраструктурную инвестицию Национальной нанотехнологической инициативы. NSRC расположены в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе-Беркли, Ок-Ридже, Сандиа и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о NSRC DOE посетите сайт https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science .

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, нажмите здесь

Контактная информация:
Диана Андерсон
630-252-4593

@аргонн

Авторское право © Аргоннская национальная лаборатория

Если у вас есть комментарий, пожалуйста Контакты нас.

Издатели новостных выпусков, а не 7th Wave, Inc. или Nanotechnology Now, несут единоличную ответственность за точность содержания.

Закладка: