Uporaba ionskega mehkega pristanka za reševanje težav s trdo energijo

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Vljudnost Pacifični severozahodni nacionalni laboratorij.
By Beth Mundy, PNNL

Vsaka tehnologija, ki vodi naš svet, zahteva energijo na zahtevo. Energija mora biti shranjena in dostopna za napajanje elektronskih naprav in lahkih zgradb. Široka paleta naprav, ki zahtevajo energijo na zahtevo, je pripeljala do razvoja številnih strategij za shranjevanje energije.

Veliko shranjevanje energije naprave združujejo kemične in električne procese za pretvorbo energije iz ene oblike v drugo. Rezultat tega postopka je vmesnik— kraj dogajanja, kjer se dva različna materiala srečata in preobrazita. Za izdelavo učinkovitejših in dolgotrajnejših naprav za shranjevanje energije morajo znanstveniki nadzorovati, kaj se dogaja na in blizu teh vmesnikov. Ampak to ni lahko.

"Večina raziskav naredi zapleten vmesnik in nato uporabi napredne tehnike karakterizacije, da ga poskuša razumeti," je dejal Grant Johnson, kemik at Pacifični severozahodni nacionalni laboratorij (PNNL) ki vodi program Znanost o ločevanju. »Za primerjavo, ne naredimo celotnega vmesnika. Vsak kos pripravimo posebej, kar nam omogoča, da preučimo posamezne komponente in kako se oblikujejo.«

Njihov pristop se imenuje ionsko mehko pristajanje. Tehnika omogoča znanstvenikom, da vidijo, kako posamezne nabite molekule ali ioni, ki obstajajo na resničnih vmesnikih za shranjevanje energije, vplivajo na površino elektrode in električni potencial. Poenostavlja neurejene vmesnike, ki obstajajo v resničnih sistemih za shranjevanje energije, v ločene sisteme s samo eno vrsto ionov in površine. Raziskovalci lahko nato raziščejo vlogo, ki jo ima vsaka molekula pri ustvarjanju vmesnika.

Nastavitev, izdelana po meri, omogoča raziskovalcem izvajanje poskusov z mehkim pristankom ionov. (Fotografija Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Mehko pristajajoči ioni za ciljne študije shranjevanja energije

Mehki pristanek ionov omogoča raziskovalcem, da izberejo eno samo specifično vrsto iona glede na naboj in velikost. Izbrani ioni nato nežno pristanejo na prevodni površini. Ta proces pripravi natančno določen vmesnik, značilen za reakcije izbranih molekul in površinskega materiala.

Ko je vmesnik pripravljen, lahko raziskovalci uporabijo druge instrumente za preučevanje interakcije površine in molekule. Ta karakterizacija razkrije informacije o naravi kemičnih vezi, ki so pretrgane in oblikovane na vmesniku.

Litij-ionski sistemi, ki napajajo veliko naše elektronike, so morda najbolj znane naprave za shranjevanje energije. Raziskovalna skupina PNNL pa raziskuje še bolj učinkovite in potencialno transformativne sisteme za shranjevanje energije. Sem spadajo litij-žveplovi ioni, trdne snovi na osnovi litija in preseganje litijeve kemije. Za to raziskavo skupina začne z elektrolitno raztopino molekul in mehkih zemljišč izbranih ionov, kot so različni litijevi sulfidi, na litijevi kovini s površino, bogato s kisikom.

Nedavno so odkrili na en način negativno nabiti litij-žveplovi ioni igrajo ključno vlogo pri delovanju teh novih naprav za shranjevanje energije na vmesnikih. Ugotovili so, da so ioni podvrženi številnim reakcijam, osredotočenim na redukcijsko in oksidacijsko kemijo žvepla in ne litija.

Ugotovitve pojasnjujejo naravo vezi žveplo-kisik in s tem povezane reagirane molekule, opažene v napravah za shranjevanje energije. Delo z mehkim pristankom ionov zagotavlja razlago na molekularni ravni, zakaj obstajajo oksidirane oblike žvepla na vmesnikih litij-žveplo. Natančno razumevanje, kako se ti pomembni ioni spremenijo v trdne materiale na vmesniku modela, pomaga raziskovalcem razgraditi zapletene vmesnike v resničnih napravah.

"Vsakič, ko raziskujemo, kako reagira posamezna vrsta molekule, se naučimo nekaj novega, kar gradi skupno znanje o oblikovanju vmesnika," je dejal Johnson.

Ogled podlage po mehkem pristanku iona. (Fotografija Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Razumevanje vmesnikov, vključenih v shranjevanje energije

Prvotno so raziskovalci PNNL razvili svoje zmožnosti mehkega pristanka ionov s podporo programa za ločevanje osnovnih energetskih znanosti Ministrstva za energijo (DOE). Skozi ta program, kemijski inženir Venky Prabhakaran uporabil ionsko mehko pristajanje za preučevanje elektrokemično aktivnih vmesnikov za ločevanje. Vendar pa je želel videti, kaj lahko tehnika naredi zunaj sistemov ločevanja. Srečanje z fizik Vijay Murugesan Pred nekaj leti je ionsko mehko pristajanje prineslo vstop v svet shranjevanja energije. Murugesan vodi osredotočeno področje za Skupni center za raziskave shranjevanja energije (JCESR), inovacijsko središče DOE.

»Nekega dne sem imel z Vijayem sestanek o nečem drugem in začela sva se pogovarjati o najini raziskavi,« je dejal Prabhakaran. "Hitro smo ugotovili, da je ionsko mehko pristajanje lahko pomembno orodje za pomoč pri odgovorih na ključna vprašanja na področju osredotočanja JCESR, ki ga vodi Vijay."

Prihajajoča selitev ekipe v Center za energetske znanosti bo poenostavila njihovo delo in jih zbližala za učinkovito sodelovanje in eksperimentalne študije.

"Trenutno moramo iti po več koridorjih, da pridemo od laboratorija za mehko pristajanje ionov do ključnih instrumentov za karakterizacijo," je dejal Murugesan. Čeprav se to morda ne zdi daleč, ta kratek sprehod povzroča težave njihovim zelo občutljivim in reaktivnim vzorcem. Raziskovalci morajo uporabiti poseben "vakuumski kovček" za transport vzorcev, tudi po hodniku.

»V Centru energetskih znanosti bodo naši laboratoriji tik drug poleg drugega,« je dejal Prabhakaran. "Imeli bomo povezovalna vrata!" Bistveno krajši sprehod od instrumenta do instrumenta pomeni manj časa za morebitno degradacijo vzorca ali kontaminacijo.

Nedavna inovacija, ki je navdušila ekipo, vključuje hkratno izbiro in odlaganje dveh vrst ionov, enega pozitivnega in enega negativnega. Ta pristop ustvarja bolj realističen model naprav za shranjevanje energije. Različni ioni medsebojno delujejo med seboj in s površino, kar ekipi omogoča, da zajame dogajanje na vmesniku.

Nekatera dela, omenjena v tem članku, so bila podprta kot del JCESR, Energy Innovation Hub, ki ga financira DOE, Urad za znanost, Program Basic Energy Sciences. Izvedeno je bilo v sodelovanju s teksaško univerzo A&M. Poleg Johnsona, Murugesana in Prabhakarana so drugi avtorji PNNL Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan in Karl Mueller. Del del je bil opravljen v Laboratoriju za okoljske molekularne znanosti, nacionalna ustanova za znanstvene uporabnike. Prihodnje delo se bo nadaljevalo v Centru za energetiko.

Cenite originalnost CleanTechnice? Razmislite, ali boste postali Član, podpornik, tehnik ali veleposlanik CleanTechnica - ali pokrovitelj naprej Patreon.