โซลูชั่นที่ดีกว่าสำหรับการผลิตไฮโดรเจนอาจอยู่บนพื้นผิว

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > สารละลายที่ดีกว่าสำหรับการผลิตไฮโดรเจนอาจอยู่ที่ผิวน้ำ

ปฏิกิริยาอันเป็นเอกลักษณ์ระหว่าง perovskite oxide ชั้นผิวที่เปลี่ยนแปลง และชนิดของเหล็กที่ออกฤทธิ์ต่อ OER เป็นการปูทางใหม่สำหรับการออกแบบวัสดุที่ใช้งานและมีเสถียรภาพ ทำให้เราเข้าใกล้การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพงอีกขั้นหนึ่ง เครดิต Argonne National Laboratory

นามธรรม:
อนาคตของพลังงานสะอาดที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้นขึ้นอยู่กับการหาวิธีแยกน้ำอย่างน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพ นั่นเป็นเพราะว่าถึงแม้ไฮโดรเจนจะมีปริมาณมาก แต่ก็ต้องได้มาจากสารอื่นที่มีไฮโดรเจนอยู่ด้วย และในปัจจุบัน สารนั้นมักเป็นก๊าซมีเทน นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีแยกองค์ประกอบที่นำพาพลังงานนี้ออกโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล นั่นจะเป็นการปูทางให้รถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจน เช่น ปล่อยเฉพาะน้ำและลมอุ่นที่ท่อไอเสีย

ทางออกที่ดีกว่าสำหรับการสร้างไฮโดรเจนอาจอยู่ที่พื้นผิว

Argonne, อิลลินอยส์ | โพสต์เมื่อ 9 เมษายน 2021

น้ำหรือ H2O รวมกันเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ต้องแยกอะตอมไฮโดรเจนในรูปของโมเลกุลไฮโดรเจนออกจากสารประกอบนี้ กระบวนการนั้นขึ้นอยู่กับขั้นตอนสำคัญ — แต่มักจะช้า — ขั้นตอน: ปฏิกิริยาการวิวัฒนาการของออกซิเจน (OER) OER คือสิ่งที่ปลดปล่อยออกซิเจนระดับโมเลกุลจากน้ำ และการควบคุมปฏิกิริยานี้มีความสำคัญไม่เพียงต่อการผลิตไฮโดรเจนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการทางเคมีที่หลากหลาย รวมถึงกระบวนการที่พบในแบตเตอรี่ด้วย

“ปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการมากมาย ดังนั้นการบังคับใช้ที่นี่จึงค่อนข้างกว้าง” — Pietro Papa Lopes ผู้ช่วยนักวิทยาศาสตร์ของ Argonne

การศึกษาที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ได้ให้ความสว่างแก่คุณภาพการเปลี่ยนรูปร่างในเพอร์รอฟสไกต์ออกไซด์ ซึ่งเป็นวัสดุประเภทที่น่าสนใจสำหรับการเร่ง OER ออกไซด์ของ Perovskite ประกอบด้วยสารประกอบหลายชนิดที่มีโครงสร้างผลึกคล้ายคลึงกัน โดยทั่วไปประกอบด้วยโลหะอัลคาไลน์เอิร์ทหรือแลนทาไนด์ เช่น La และ Sr ในเว็บไซต์ A และโลหะทรานซิชัน เช่น Co ในไซต์ B รวมกับออกซิเจนในสูตร ABO3 การวิจัยให้ข้อมูลเชิงลึกที่สามารถนำมาใช้ในการออกแบบวัสดุใหม่ ไม่เพียงแต่สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงหมุนเวียนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเก็บพลังงานด้วย

ออกไซด์ของ Perovskite สามารถทำให้เกิด OER และมีราคาถูกกว่าโลหะมีค่า เช่น อิริเดียมหรือรูทีเนียมที่ใช้งานได้ แต่เปอร์รอฟสไคต์ออกไซด์จะไม่ทำงาน (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มีประสิทธิภาพในการเร่ง OER) เช่นเดียวกับโลหะเหล่านี้ และพวกมันมักจะเสื่อมสภาพอย่างช้าๆ

Pietro Papa Lopes ผู้ช่วยนักวิทยาศาสตร์จากแผนก Materials Science ของ Argonne กล่าวว่า "การเข้าใจว่าวัสดุเหล่านี้สามารถใช้งานได้และมีเสถียรภาพเป็นแรงผลักดันที่สำคัญสำหรับเรา "เราต้องการสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทั้งสองนี้และวิธีการที่เชื่อมโยงกับคุณสมบัติของ Perovskite เอง"

การวิจัยก่อนหน้านี้มุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติจำนวนมากของวัสดุ perovskite และความเกี่ยวข้องกับกิจกรรม OER นักวิจัยสงสัยว่ามีเรื่องราวมากกว่านี้หรือไม่ ท้ายที่สุดแล้ว พื้นผิวของวัสดุซึ่งทำปฏิกิริยากับสภาพแวดล้อม อาจแตกต่างไปจากส่วนที่เหลืออย่างสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่นนี้มีอยู่ทุกหนทุกแห่งในธรรมชาติ: ลองนึกถึงอะโวคาโดผ่าครึ่งที่มีสีน้ำตาลอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับอากาศ แต่ข้างในยังคงเป็นสีเขียว สำหรับวัสดุ perovskite พื้นผิวที่แตกต่างจากของเทกองอาจมีนัยสำคัญว่าเราเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้อย่างไร

ในระบบอิเล็กโทรไลต์ในน้ำ ซึ่งแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน เปอร์รอฟสไกต์ออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากน้ำและเกลือชนิดพิเศษ สร้างส่วนต่อประสานที่ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานได้ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าถูกนำไปใช้ ส่วนต่อประสานนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเริ่มต้นกระบวนการแยกน้ำ "พื้นผิวของวัสดุเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน: แรงดันไฟฟ้าที่คุณต้องการและปริมาณออกซิเจนและไฮโดรเจนที่คุณจะผลิตได้" Lopes กล่าว

ไม่เพียงแต่พื้นผิวของ perovskite ออกไซด์จะแตกต่างจากวัสดุอื่นๆ เท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอีกด้วย "เมื่อมันอยู่ในระบบไฟฟ้าเคมี พื้นผิวของ perovskite จะวิวัฒนาการและกลายเป็นฟิล์มบาง ๆ ที่ไม่มีรูปร่าง" Lopes กล่าว “มันไม่เหมือนกับเนื้อหาที่คุณเริ่มเลยจริงๆ”

นักวิจัยได้รวมการคำนวณทางทฤษฎีและการทดลองเพื่อพิจารณาว่าพื้นผิวของวัสดุ perovskite มีวิวัฒนาการอย่างไรในช่วง OER ในการทำเช่นนั้นได้อย่างแม่นยำ พวกเขาศึกษาแลนทานัม โคบอลต์ออกไซด์ เพอรอฟสไกต์ และปรับแต่งโดยการ "เติม" แลนทานัมด้วยสตรอนเทียม ซึ่งเป็นโลหะที่มีปฏิกิริยามากกว่า ยิ่งสตรอนเทียมถูกเติมลงในวัสดุเริ่มต้นมากเท่าใด พื้นผิวของมันก็วิวัฒนาการเร็วขึ้นและเริ่มทำงานสำหรับ OER ซึ่งเป็นกระบวนการที่นักวิจัยสามารถสังเกตได้ที่ความละเอียดอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน นักวิจัยพบว่าการละลายของสตรอนเทียมและการสูญเสียออกซิเจนจาก perovskite ทำให้เกิดชั้นผิวอสัณฐานนี้ ซึ่งอธิบายเพิ่มเติมได้โดยการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์โดยใช้ Center for Nanoscale Materials ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE

"ชิ้นสุดท้ายที่ขาดหายไปเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไม perovskites จึงมีความกระตือรือร้นต่อ OER คือการสำรวจบทบาทของธาตุเหล็กจำนวนเล็กน้อยที่มีอยู่ในอิเล็กโทรไลต์" Lopes กล่าว นักวิจัยกลุ่มเดียวกันเพิ่งค้นพบว่าร่องรอยของเหล็กสามารถปรับปรุง OER บนพื้นผิวอมอร์ฟัสออกไซด์อื่นๆ ได้ เมื่อพวกเขาพิจารณาแล้วว่าพื้นผิว perovskite พัฒนาไปเป็นอสัณฐานออกไซด์ ก็เป็นที่ชัดเจนว่าเหตุใดเหล็กจึงมีความสำคัญมาก

"การศึกษาทางคอมพิวเตอร์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับทั้งพื้นผิว perovskite และอิเล็กโทรไลต์" Peter Zapol นักฟิสิกส์จาก Argonne และผู้ร่วมวิจัยกล่าว “เรามุ่งเน้นไปที่กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนทั้งกิจกรรมและแนวโน้มความเสถียรในวัสดุ perovskite โดยทั่วไปแล้วสิ่งนี้ไม่ได้ทำในการศึกษาเชิงคำนวณ ซึ่งมักจะเน้นไปที่กลไกปฏิกิริยาที่รับผิดชอบต่อกิจกรรมเท่านั้น”

ผลการศึกษาพบว่าพื้นผิวของ perovskite oxide พัฒนาเป็นฟิล์มอสัณฐานที่อุดมด้วยโคบอลต์ซึ่งมีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตร เมื่อมีธาตุเหล็กอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ เหล็กช่วยเร่ง OER ในขณะที่ฟิล์มที่อุดมด้วยโคบอลต์มีผลต่อการทรงตัวของเหล็ก ทำให้มีการทำงานที่พื้นผิว

ผลการวิจัยชี้ให้เห็นถึงกลยุทธ์ใหม่ๆ ที่อาจเกิดขึ้นสำหรับการออกแบบวัสดุ perovskite ซึ่งใครๆ ก็จินตนาการถึงการสร้างระบบสองชั้นได้ Lopes กล่าว ซึ่งมีความเสถียรมากกว่าและสามารถส่งเสริม OER ได้

“OER เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการมากมาย ดังนั้นการบังคับใช้ที่นี่จึงค่อนข้างกว้าง” Lopes กล่าว “การทำความเข้าใจไดนามิกของวัสดุและผลกระทบต่อกระบวนการพื้นผิวคือวิธีที่เราสามารถทำให้ระบบการแปลงและการจัดเก็บพลังงานดีขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และมีราคาจับต้องได้”

# # #

การศึกษาได้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์และเน้นบนหน้าปกของวารสาร Journal of the American Chemical Society ฉบับวันที่ 24 กุมภาพันธ์ เรื่อง “Dynamicically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution” นอกจาก Lopes และ Zapol แล้ว ผู้เขียนร่วมยังรวมถึง Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic และ John Mitchell ที่ Argonne; Xue Rui และ Robert Klie ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ชิคาโก; และ Haiying He ที่มหาวิทยาลัย Valparaiso งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์พลังงานขั้นพื้นฐานของ DOE

####

เกี่ยวกับ Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory พยายามหาทางแก้ไขปัญหาระดับชาติในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแห่งแรกของประเทศ Argonne ดำเนินการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานและประยุกต์ระดับแนวหน้าในแทบทุกสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ นักวิจัยของ Argonne ทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิจัยจากบริษัทหลายร้อยแห่ง มหาวิทยาลัย และหน่วยงานของรัฐบาลกลาง รัฐ และเทศบาล เพื่อช่วยพวกเขาแก้ปัญหาเฉพาะเจาะจง พัฒนาความเป็นผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของอเมริกา และเตรียมประเทศชาติสำหรับอนาคตที่ดีกว่า ด้วยพนักงานจากกว่า 60 ประเทศ Argonne ได้รับการจัดการโดย UChicago Argonne, LLC สำหรับสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ

เกี่ยวกับศูนย์วัสดุระดับนาโนของ Argonne

ศูนย์วัสดุระดับนาโนเป็นหนึ่งในห้าศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ระดับนาโนของ DOE ซึ่งเป็นศูนย์อำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ระดับชาติชั้นนำสำหรับการวิจัยแบบสหวิทยาการในระดับนาโนที่ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE NSRCs ร่วมกันประกอบด้วยชุดของสิ่งอำนวยความสะดวกเสริมที่ช่วยให้นักวิจัยมีความสามารถอันล้ำสมัยในการประดิษฐ์ ประมวลผล ลักษณะและแบบจำลองวัสดุระดับนาโน และเป็นการลงทุนโครงสร้างพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดของ National Nanotechnology Initiative NSRCs ตั้งอยู่ที่ Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia และ Los Alamos National Laboratories ของ DOE สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ DOE NSRCs กรุณาเยี่ยมชม https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

สำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐเป็นผู้สนับสนุนการวิจัยขั้นพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพที่ใหญ่ที่สุดเพียงแห่งเดียวในสหรัฐอเมริกา และกำลังทำงานเพื่อจัดการกับความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดในยุคของเรา ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ https://energy.gov/science .

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
ไดอาน่า แอนเดอร์สัน
630-252-4593

@อาร์กอนเน่

ลิขสิทธิ์ © Argonne National Laboratory

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: