Boljše rešitve za pridobivanje vodika so lahko le na površini

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Domov > Pritisnite > Boljše rešitve za pridobivanje vodika so lahko le na površini

Edinstvene interakcije med perovskitnim oksidom, njegovo spreminjajočo se površinsko plastjo in vrstami železa, ki so aktivne proti OER, utirajo novo pot za načrtovanje aktivnih in stabilnih materialov, kar nas pripelje korak bližje učinkoviti in cenovno dostopni proizvodnji zelenega vodika. KREDIT Nacionalni laboratorij Argonne

Povzetek:
Prihodnost čiste energije, ki jo poganja vodikovo gorivo, je odvisna od ugotovitve, kako zanesljivo in učinkovito razdeliti vodo. To je zato, ker, čeprav je vodika v izobilju, mora biti pridobljen iz druge snovi, ki ga vsebuje - in danes je ta snov pogosto metan. Znanstveniki iščejo načine, kako izolirati ta element, ki nosi energijo, brez uporabe fosilnih goriv. To bi na primer utrlo pot avtomobilom na vodik, ki iz izpušne cevi izpuščajo le vodo in topel zrak.

Boljše rešitve za pridobivanje vodika so lahko le na površini

Argonne, IL | Objavljeno 9. aprila 2021

Voda ali H2O združuje vodik in kisik. Iz te spojine je treba ločiti vodikove atome v obliki molekularnega vodika. Ta proces je odvisen od ključnega, a pogosto počasnega koraka: reakcije sproščanja kisika (OER). OER je tisto, kar sprosti molekularni kisik iz vode, nadzor te reakcije pa ni pomemben le za proizvodnjo vodika, temveč tudi za različne kemične procese, vključno s tistimi, ki jih najdemo v baterijah.

"Reakcija evolucije kisika je del toliko procesov, zato je uporabnost tukaj precej široka." — Pietro Papa Lopes, pomočnik znanstvenika Argonne

Študija, ki so jo vodili znanstveniki iz nacionalnega laboratorija Argonne ameriškega ministrstva za energijo (DOE), osvetljuje kakovost spreminjanja oblike v perovskitnih oksidih, obetavni vrsti materiala za pospešitev OER. Perovskitni oksidi obsegajo vrsto spojin, ki imajo vse podobno kristalno strukturo. Običajno vsebujejo zemeljskoalkalijske kovine ali lantanide, kot sta La in Sr na mestu A, in prehodno kovino, kot je Co na mestu B, skupaj s kisikom v formuli ABO3. Raziskava daje vpogled, ki bi ga lahko uporabili za oblikovanje novih materialov ne samo za izdelavo obnovljivih goriv, temveč tudi za shranjevanje energije.

Perovskitni oksidi lahko povzročijo OER in so cenejši od plemenitih kovin, kot sta iridij ali rutenij, ki prav tako opravita svoje delo. Toda perovskitni oksidi niso tako aktivni (z drugimi besedami, učinkoviti pri pospeševanju OER) kot te kovine in se nagibajo k počasnemu razgradnji.

»Razumevanje, kako so lahko ti materiali aktivni in stabilni, je bilo za nas velika gonilna sila,« je povedal Pietro Papa Lopes, pomočnik znanstvenika v Argonnovem oddelku za znanost o materialih, ki je vodil študijo. "Želeli smo raziskati razmerje med tema dvema lastnostma in kako se to povezuje z lastnostmi samega perovskita."

Prejšnje raziskave so se osredotočale na množične lastnosti perovskitnih materialov in na njihovo povezavo z dejavnostjo OER. Raziskovalci pa so se spraševali, ali je v zgodbi še kaj več. Navsezadnje je lahko površina materiala, kjer reagira z okolico, povsem drugačna od ostalih. Takšni primeri so povsod v naravi: pomislite na razpolovljen avokado, ki hitro porjavi, kjer se sreča z zrakom, znotraj pa ostane zelen. Pri perovskitnih materialih bi lahko imela površina, ki se razlikuje od mase, pomembne posledice za razumevanje njihovih lastnosti.

V sistemih vodnih elektrolizatorjev, ki vodo razdelijo na vodik in kisik, perovskitni oksidi medsebojno delujejo z elektrolitom iz vode in posebnih vrst soli, kar ustvarja vmesnik, ki omogoča delovanje naprave. Ker se uporablja električni tok, je ta vmesnik ključnega pomena za začetek procesa cepitve vode. "Površina materiala je najpomembnejši vidik, kako bo potekala reakcija sproščanja kisika: koliko napetosti potrebujete in koliko kisika in vodika boste proizvedli," je dejal Lopes.

Ne samo, da je površina perovskitnega oksida drugačna od ostalega materiala, ampak se sčasoma tudi spreminja. "Ko je enkrat v elektrokemičnem sistemu, se površina perovskita razvije in spremeni v tanek, amorfen film," je dejal Lopes. "Nikoli ni zares enako kot material, s katerim začneš."

Raziskovalci so združili teoretične izračune in poskuse, da bi ugotovili, kako se površina perovskitnega materiala razvija med OER. Da bi to naredili z natančnostjo, so preučevali lantanov kobaltov oksid perovskit in ga prilagodili tako, da so lantan »dopirali« s stroncijem, bolj reaktivno kovino. Več stroncija je bilo dodanega začetnemu materialu, hitreje se je njegova površina razvila in postala aktivna za OER - proces, ki so ga raziskovalci lahko opazovali pri atomski ločljivosti s transmisijsko elektronsko mikroskopijo. Raziskovalci so ugotovili, da sta raztapljanje stroncija in izguba kisika iz perovskita povzročili nastanek te amorfne površinske plasti, kar je bilo nadalje pojasnjeno z računalniškim modeliranjem, izvedenim s pomočjo Centra za materiale v nanometrskem merilu, urada DOE za uporabo v znanosti.

"Zadnji manjkajoči kos za razumevanje, zakaj so bili perovskiti aktivni proti OER, je bilo raziskovanje vloge majhnih količin železa, prisotnega v elektrolitu," je dejal Lopes. Ista skupina raziskovalcev je nedavno odkrila, da lahko sledi železa izboljšajo OER na drugih površinah amorfnega oksida. Ko so ugotovili, da se površina perovskita razvije v amorfni oksid, je postalo jasno, zakaj je železo tako pomembno.

"Računalniške študije pomagajo znanstvenikom razumeti reakcijske mehanizme, ki vključujejo tako površino perovskita kot elektrolit," je povedal Peter Zapol, fizik v Argonnu in soavtor študije. »Osredotočili smo se na reakcijske mehanizme, ki poganjajo trende aktivnosti in stabilnosti perovskitnih materialov. To se običajno ne izvaja v računalniških študijah, ki se osredotočajo izključno na reakcijske mehanizme, odgovorne za aktivnost.

Študija je pokazala, da se je površina perovskitnega oksida razvila v s kobaltom bogat amorfni film, debel le nekaj nanometrov. Ko je bilo železo prisotno v elektrolitu, je železo pomagalo pospešiti OER, medtem ko je film, bogat s kobaltom, stabiliziral železo in ga ohranjal aktivnega na površini.

Rezultati kažejo na nove potencialne strategije za oblikovanje perovskitnih materialov - lahko si predstavljamo ustvarjanje dvoslojnega sistema, je dejal Lopes, ki je še bolj stabilen in sposoben spodbujati OER.

"OER je del toliko procesov, zato je uporabnost tukaj precej široka," je dejal Lopes. "Z razumevanjem dinamike materialov in njihovega vpliva na površinske procese lahko naredimo sisteme za pretvorbo in shranjevanje energije boljše, učinkovitejše in cenovno dostopnejše."

# # #

Študija je opisana v članku, objavljenem in poudarjenem na naslovnici Journal of American Chemical Society 24. februarja, "Dinamično stabilna aktivna mesta iz površinske evolucije perovskitnih materialov med razvojem kisika." Poleg Lopesa in Zapola so soavtorji še Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dušan Strmčnik, Vojislav Stamenković, Nenad Marković in John Mitchell pri Argonnu; Xue Rui in Robert Klie z Univerze Illinois v Chicagu; in Haiying He na univerzi Valparaiso. To raziskavo je financiral Urad za osnovne energetske znanosti DOE.

####

O nacionalnem laboratoriju Argonne
Nacionalni laboratorij Argonne išče rešitve za pereče nacionalne probleme v znanosti in tehnologiji. Prvi nacionalni laboratorij v državi, Argonne, izvaja vrhunske temeljne in uporabne znanstvene raziskave v skoraj vseh znanstvenih disciplinah. Raziskovalci Argonne tesno sodelujejo z raziskovalci iz več sto podjetij, univerz ter zveznih, državnih in občinskih agencij, da bi jim pomagali rešiti njihove posebne težave, napredovali v ameriškem znanstvenem vodstvu in pripravili državo na boljšo prihodnost. Z zaposlenimi iz več kot 60 držav Argonne upravlja UChicago Argonne, LLC za Urad ameriškega ministrstva za energijo.

O Argonnovem centru za materiale v nanometrskem merilu

Center za materiale v nanometrskem merilu je eden od petih znanstvenih raziskovalnih centrov DOE v nanometrskem merilu, vodilnih nacionalnih uporabniških zmogljivosti za interdisciplinarne raziskave v nanometru, ki jih podpira Urad za znanost DOE. NSRC skupaj sestavljajo nabor komplementarnih objektov, ki raziskovalcem zagotavljajo najsodobnejše zmogljivosti za izdelavo, obdelavo, karakterizacijo in modeliranje materialov v nanometrskem merilu, in predstavljajo največjo infrastrukturno naložbo Nacionalne nanotehnološke pobude. NSRC se nahajajo v nacionalnih laboratorijih DOE Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia in Los Alamos. Za več informacij o NSRC DOE obiščite https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Urad ameriškega ministrstva za energijo je edini največji podpornik temeljnih raziskav na področju fizikalnih znanosti v ZDA in si prizadeva za reševanje nekaterih najnujnejših izzivov našega časa. Za več informacij obiščite https://energy.gov/science .

Za več informacij kliknite tukaj

Kontakt:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Avtorske pravice © Argonne National Laboratory

Če imate komentar, prosim Kontakt nas.

Izdajalci novic, ne 7th Wave, Inc. ali Nanotechnology Now, so izključno odgovorni za točnost vsebine.

Zaznamek: