Better Solutions For Making Hydrogen May Lie Just At The Surface

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Bättre lösningar för att göra väte kan ligga precis vid ytan

Den unika interaktionen mellan perovskitoxid, dess föränderliga ytskikt och järnarter som är aktiva mot OER banar en ny väg för design av aktiva och stabila material, vilket tar oss ett steg närmare effektiv och prisvärd produktion av grönt väte. KREDIT Argonne National Laboratory

Sammanfattning:
En framtid för ren energi som drivs av vätebränsle beror på att man tar reda på hur man på ett tillförlitligt och effektivt sätt kan dela vatten. Det beror på att även om väte är rikligt måste det härröra från ett annat ämne som innehåller det - och idag är det ämnet ofta metangas. Forskare letar efter sätt att isolera detta energibärande element utan att använda fossila bränslen. Det skulle bana väg för till exempel vätgasdrivna bilar som bara släpper ut vatten och varm luft vid avgasröret.

Bättre lösningar för att göra väte kan ligga precis vid ytan

Argonne, IL | Postat den 9 april 2021

Vatten, eller H2O, förenar väte och syre. Väteatomer i form av molekylärt väte måste separeras från denna förening. Den processen beror på ett viktigt - men ofta långsamt - steg: syreutvecklingsreaktionen (OER). OER är det som frigör molekylärt syre från vatten, och att kontrollera denna reaktion är viktig inte bara för väteproduktion utan en mängd olika kemiska processer, inklusive sådana som finns i batterier.

"Syrgasevolutionsreaktionen är en del av så många processer, så tillämpbarheten här är ganska bred." — Pietro Papa Lopes, biträdande vetenskapsman i Argonne

En studie ledd av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory belyser en formskiftande kvalitet i perovskitoxider, en lovande typ av material för att påskynda OER. Perovskitoxider omfattar en rad föreningar som alla har en liknande kristallin struktur. De innehåller typiskt en alkalisk jordartsmetall eller lantanider såsom La och Sr i A-stället, och en övergångsmetall såsom Co i B-stället, kombinerat med syre i formeln ABO3. Forskningen ger insikter som skulle kunna användas för att designa nya material, inte bara för att tillverka förnybara bränslen utan också för att lagra energi.

Perovskitoxider kan åstadkomma OER, och de är billigare än ädelmetaller som iridium eller rutenium som också gör jobbet. Men perovskitoxider är inte lika aktiva (med andra ord effektiva för att accelerera OER) som dessa metaller, och de tenderar att långsamt brytas ned.

"Att förstå hur dessa material kan vara aktiva och stabila var en stor drivkraft för oss", säger Pietro Papa Lopes, en biträdande forskare vid Argonnes materialvetenskapsavdelning som ledde studien. "Vi ville utforska förhållandet mellan dessa två egenskaper och hur det ansluter till egenskaperna hos själva perovskiten."

Tidigare forskning har fokuserat på bulkegenskaperna hos perovskitmaterial och hur de relaterar till OER-aktiviteten. Forskarna undrade dock om det fanns mer i historien. När allt kommer omkring kan ytan på ett material, där det reagerar med sin omgivning, vara helt annorlunda än resten. Sådana här exempel finns överallt i naturen: tänk på en halverad avokado som snabbt blir brun där den möter luften men förblir grön inuti. För perovskitmaterial kan en yta som blir annorlunda än bulken få viktiga konsekvenser för hur vi förstår deras egenskaper.

I vattenelektrolysersystem, som delar upp vatten i väte och syre, interagerar perovskitoxider med en elektrolyt gjord av vatten och speciella saltarter, vilket skapar ett gränssnitt som gör att enheten kan fungera. När elektrisk ström appliceras är det gränssnittet avgörande för att starta vattenuppdelningsprocessen. "Materialets yta är den viktigaste aspekten av hur syreutvecklingsreaktionen kommer att fortgå: hur mycket spänning du behöver och hur mycket syre och väte du kommer att producera," sa Lopes.

Perovskitoxidens yta skiljer sig inte bara från resten av materialet, den förändras också över tiden. "När den väl är i ett elektrokemiskt system, utvecklas perovskitytan och förvandlas till en tunn, amorf film," sa Lopes. "Det är aldrig riktigt detsamma som materialet du börjar med."

Forskarna kombinerade teoretiska beräkningar och experiment för att bestämma hur ytan på ett perovskitmaterial utvecklas under OER. För att göra det med precision studerade de lantankoboltoxidperovskit och trimmade den genom att "dopa" lantanet med strontium, en mer reaktiv metall. Ju mer strontium som sattes till det ursprungliga materialet, desto snabbare utvecklades dess yta och blev aktiv för OER - en process som forskarna kunde observera vid atomupplösning med transmissionselektronmikroskopi. Forskarna fann att strontiumupplösning och syreförlust från perovskiten drev bildandet av detta amorfa ytskikt, vilket ytterligare förklarades av beräkningsmodellering utförd med hjälp av Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility.

"Den sista saknade biten för att förstå varför perovskiterna var aktiva mot OER var att utforska rollen av små mängder järn som finns i elektrolyten," sa Lopes. Samma grupp forskare upptäckte nyligen att spår av järn kan förbättra OER på andra amorfa oxidytor. När de väl bestämde att en perovskityta utvecklas till en amorf oxid, blev det klart varför järn var så viktigt.

"Beräkningsstudier hjälper forskare att förstå reaktionsmekanismer som involverar både perovskitytan och elektrolyten", säger Peter Zapol, fysiker vid Argonne och medförfattare till studien. "Vi fokuserade på reaktionsmekanismer som driver både aktivitets- och stabilitetstrender i perovskitmaterial. Detta görs vanligtvis inte i beräkningsstudier, som tenderar att fokusera enbart på de reaktionsmekanismer som är ansvariga för aktiviteten."

Studien fann att perovskitoxidens yta utvecklades till en koboltrik amorf film bara några nanometer tjock. När järn fanns i elektrolyten hjälpte järnet till att accelerera OER, medan den koboltrika filmen hade en stabiliserande effekt på järnet och höll det aktivt vid ytan.

Resultaten föreslår nya potentiella strategier för att designa perovskitmaterial - man kan föreställa sig att skapa ett tvåskiktssystem, sa Lopes, som är ännu mer stabilt och kapabelt att främja OER.

"OER är en del av så många processer, så tillämpbarheten här är ganska bred," sa Lopes. "Att förstå materialens dynamik och deras effekt på ytprocesserna är hur vi kan göra energiomvandlings- och lagringssystem bättre, mer effektiva och prisvärda."

# # #

Studien beskrivs i en artikel publicerad och framhävd på omslaget till Journal of the American Chemical Society den 24 februari, "Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution." Förutom Lopes och Zapol, medförfattare inkluderar Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic och John Mitchell på Argonne; Xue Rui och Robert Klie vid University of Illinois i Chicago; och Haiying He vid Valparaiso University. Denna forskning finansierades av DOE:s Office of Basic Energy Sciences.

####

Om Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory söker lösningar på pressande nationella problem inom vetenskap och teknik. Nationens första nationella laboratorium, Argonne bedriver ledande grundläggande och tillämpad vetenskaplig forskning inom praktiskt taget alla vetenskapliga ämnen. Argonne-forskare arbetar nära forskare från hundratals företag, universitet och federala, statliga och kommunala myndigheter för att hjälpa dem att lösa sina specifika problem, främja Amerikas vetenskapliga ledarskap och förbereda nationen för en bättre framtid. Med anställda från mer än 60 länder sköts Argonne av UChicago Argonne, LLC för US Department of Energy's Office of Science.

Om Argonne's Center for Nanoscale Materials

Center for Nanoscale Materials är ett av de fem DOE Nanoscale Science Research Centers, främsta nationella användaranläggningar för tvärvetenskaplig forskning på nanoskala som stöds av DOE Office of Science. Tillsammans utgör NSRC:erna en svit av kompletterande faciliteter som ger forskare toppmoderna möjligheter att tillverka, bearbeta, karakterisera och modellera material i nanoskala, och utgör den största infrastrukturinvesteringen i National Nanotechnology Initiative. NSRC:erna finns vid DOE:s Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia och Los Alamos National Laboratories. För mer information om DOE NSRCs, besök https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

US Department of Energy's Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysik i USA och arbetar för att ta itu med några av de mest pressande utmaningarna i vår tid. För mer information besök https://energy.gov/science .

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Diana Andersson
630-252-4593

@argonne

Om du har en kommentar, snälla Kontakta Oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: