Hidrojen Üretimi İçin Daha İyi Çözümler Yüzeyde Olabilir

Plato tarafından yeniden yayınlandı

İzleyiciler: 0

Ana Sayfa > Basın > Hidrojen üretimi için daha iyi çözümler yüzeyde olabilir

Perovskit oksit, değişen yüzey katmanı ve OER'ye doğru aktif olan demir türleri arasındaki benzersiz etkileşimler, aktif ve kararlı malzemelerin tasarımı için yeni bir yol açarak bizi verimli ve uygun fiyatlı yeşil hidrojen üretimine bir adım daha yaklaştırıyor. KREDİ Argonne Ulusal Laboratuvarı

Özet:
Hidrojen yakıtının yönlendirdiği temiz enerji geleceği, suyun güvenilir ve verimli bir şekilde nasıl ayrıştırılacağının bulunmasına bağlıdır. Bunun nedeni, hidrojenin bol miktarda bulunmasına rağmen onu içeren başka bir maddeden türetilmesi gerektiğidir ve günümüzde bu madde genellikle metan gazıdır. Bilim insanları, enerji taşıyan bu elementi fosil yakıt kullanmadan izole etmenin yollarını arıyor. Bu, örneğin egzoz borusundan yalnızca su ve sıcak hava çıkaran hidrojen yakıtlı arabaların önünü açacak.

Hidrojen yapmak için daha iyi çözümler sadece yüzeyde olabilir

Argonne, IL | 9 Nisan 2021'de yayınlandı

Su veya H2O, hidrojen ve oksijeni birleştirir. Moleküler hidrojen formundaki hidrojen atomlarının bu bileşikten ayrılması gerekir. Bu süreç önemli ama çoğu zaman yavaş olan bir adıma bağlıdır: oksijen evrimi reaksiyonu (OER). OER, sudan moleküler oksijeni serbest bırakan şeydir ve bu reaksiyonun kontrol edilmesi, yalnızca hidrojen üretimi için değil, aynı zamanda pillerde bulunanlar da dahil olmak üzere çeşitli kimyasal işlemler için de önemlidir.

"Oksijen evrimi reaksiyonu pek çok sürecin bir parçasıdır, dolayısıyla buradaki uygulanabilirliği oldukça geniştir." — Pietro Papa Lopes, Argonne'lu bilim adamı yardımcısı

ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim adamlarının önderlik ettiği bir çalışma, OER'yi hızlandırmak için umut verici bir malzeme türü olan perovskit oksitlerdeki şekil değiştirme özelliğini aydınlatıyor. Perovskit oksitler, tümü benzer kristal yapıya sahip olan bir dizi bileşiği kapsar. Tipik olarak ABO3 formülünde oksijenle birleştirilmiş A bölgesinde La ve Sr gibi bir alkalin toprak metali veya lantanitler ve B bölgesinde Co gibi bir geçiş metali içerirler. Araştırma, yalnızca yenilenebilir yakıt üretimi için değil aynı zamanda enerji depolamak için de yeni malzemeler tasarlamak için kullanılabilecek fikir veriyor.

Perovskit oksitler OER'yi meydana getirebilir ve iridyum veya rutenyum gibi aynı işi yapan değerli metallerden daha ucuzdur. Ancak perovskit oksitler bu metaller kadar aktif değil (başka bir deyişle OER'yi hızlandırmada etkili değil) ve yavaşça bozunma eğilimindeler.

Araştırmayı yöneten Argonne Malzeme Bilimi bölümünde yardımcı bilim insanı olan Pietro Papa Lopes, "Bu malzemelerin nasıl aktif ve istikrarlı olabileceğini anlamak bizim için büyük bir itici güçtü" dedi. "Bu iki özellik arasındaki ilişkiyi ve bunun perovskitin özelliklerine nasıl bağlandığını araştırmak istedik."

Önceki araştırmalar perovskit materyallerin toplu özelliklerine ve bunların OER aktivitesiyle nasıl ilişkili olduğuna odaklanmıştı. Ancak araştırmacılar hikayenin devamı olup olmadığını merak ettiler. Sonuçta bir malzemenin çevresiyle reaksiyona girdiği yüzeyi diğerlerinden tamamen farklı olabilir. Bunun gibi örnekler doğada her yerde var: Havayla buluştuğu yerde hızla kahverengileşen ancak içi yeşil kalan, ikiye bölünmüş bir avokado düşünün. Perovskit malzemeler için, kütleden farklı hale gelen bir yüzey, bunların özelliklerini nasıl anladığımız konusunda önemli sonuçlar doğurabilir.

Suyu hidrojen ve oksijene ayıran su elektrolizör sistemlerinde perovskit oksitler, su ve özel tuz türlerinden oluşan bir elektrolit ile etkileşime girerek cihazın çalışmasına olanak sağlayan bir arayüz oluşturur. Elektrik akımı uygulandığında bu arayüz, suyu ayırma sürecini başlatmada kritik öneme sahiptir. Lopes, "Malzemenin yüzeyi, oksijen oluşum reaksiyonunun nasıl ilerleyeceğinin en önemli yönüdür: Ne kadar voltaja ihtiyacınız var ve ne kadar oksijen ve hidrojen üreteceksiniz" dedi.

Perovskit oksidin yüzeyi yalnızca malzemenin geri kalanından farklı olmakla kalmıyor, aynı zamanda zamanla da değişiyor. Lopes, "Bir elektrokimyasal sisteme girdiğinde perovskit yüzeyi gelişiyor ve ince, amorf bir filme dönüşüyor" dedi. “Hiçbir zaman başlangıçtaki materyalle aynı olmuyor.”

Araştırmacılar, perovskit malzemenin yüzeyinin OER sırasında nasıl geliştiğini belirlemek için teorik hesaplamaları ve deneyleri birleştirdi. Bunu hassas bir şekilde yapmak için, lantan kobalt oksit perovskit üzerinde çalıştılar ve lantanı daha reaktif bir metal olan stronsiyumla "katkılayarak" ayarladılar. Başlangıç malzemesine ne kadar çok stronsiyum eklenirse, yüzeyi o kadar hızlı evrildi ve OER için aktif hale geldi; araştırmacıların transmisyon elektron mikroskobu ile atomik çözünürlükte gözlemleyebildiği bir süreç. Araştırmacılar, perovskitten kaynaklanan stronsiyum çözünmesinin ve oksijen kaybının, bu amorf yüzey tabakasının oluşumunu tetiklediğini buldu; bu, bir DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi kullanılarak gerçekleştirilen hesaplamalı modelleme ile daha da açıklandı.

Lopes, "Perovskitlerin neden OER'ye karşı aktif olduğunu anlamak için eksik olan son parça, elektrolitte bulunan küçük miktarlardaki demirin rolünü araştırmaktı" dedi. Aynı araştırmacı grubu yakın zamanda demir izlerinin diğer amorf oksit yüzeylerdeki OER'yi geliştirebildiğini keşfetti. Perovskit yüzeyinin amorf okside dönüştüğünü belirledikten sonra demirin neden bu kadar önemli olduğu anlaşıldı.

Argonne'dan fizikçi ve çalışmanın ortak yazarı Peter Zapol, "Hesaplamalı çalışmalar, bilim adamlarının hem perovskit yüzeyi hem de elektroliti içeren reaksiyon mekanizmalarını anlamalarına yardımcı oluyor" dedi. "Perovskit malzemelerde hem aktivite hem de stabilite eğilimlerini yönlendiren reaksiyon mekanizmalarına odaklandık. Bu genellikle yalnızca aktiviteden sorumlu reaksiyon mekanizmalarına odaklanma eğiliminde olan hesaplamalı çalışmalarda yapılmaz."

Çalışma, perovskit oksidin yüzeyinin sadece birkaç nanometre kalınlığında kobalt açısından zengin amorf bir filme dönüştüğünü buldu. Elektrolitte demir mevcut olduğunda, demir OER'nin hızlanmasına yardımcı olurken, kobalt açısından zengin film demir üzerinde dengeleyici bir etki yaparak onu yüzeyde aktif tutuyordu.

Sonuçlar, perovskit malzemeleri tasarlamak için yeni potansiyel stratejiler öneriyor; Lopes, daha istikrarlı ve OER'yi destekleme kapasitesine sahip iki katmanlı bir sistem oluşturmanın hayal edilebileceğini söyledi.

Lopes, "OER pek çok sürecin bir parçası olduğundan buradaki uygulanabilirlik oldukça geniştir" dedi. "Malzemelerin dinamiklerini ve yüzey süreçleri üzerindeki etkilerini anlamak, enerji dönüşümü ve depolama sistemlerini nasıl daha iyi, daha verimli ve uygun fiyatlı hale getirebileceğimizi gösterir."

###

Çalışma, Journal of the American Chemical Society dergisinin 24 Şubat tarihli kapağında yayınlanan "Oksijen Evrimi Sırasında Perovskite Malzemelerin Yüzey Evriminden Dinamik Olarak Kararlı Aktif Bölgeler" başlıklı makalede yayınlanan ve vurgulanan bir makalede anlatılmıştır. Ortak yazarlar arasında Lopes ve Zapol'un yanı sıra Argonne'dan Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic ve John Mitchell; Chicago'daki Illinois Üniversitesi'nden Xue Rui ve Robert Klie; ve Valparaiso Üniversitesi'nden Haiying He. Bu araştırma DOE'nin Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından finanse edildi.

####

Argonne Ulusal Laboratuvarı Hakkında
Argonne Ulusal Laboratuvarı, bilim ve teknolojideki ulusal sorunlara acil çözümler arar. Ülkenin ilk ulusal laboratuvarı olan Argonne, hemen hemen her bilimsel disiplinde öncü temel ve uygulamalı bilimsel araştırmalar yürütür. Argonne araştırmacıları, kendi özel sorunlarını çözmelerine, Amerika'nın bilimsel liderliğini ilerletmelerine ve ulusu daha iyi bir geleceğe hazırlamalarına yardımcı olmak için yüzlerce şirket, üniversite ve federal, eyalet ve belediye kurumlarından araştırmacılarla yakın işbirliği içinde çalışmaktadır. 60'tan fazla ülkeden çalışanı olan Argonne, ABD Enerji Bakanlığı'nın Bilim Ofisi için UChicago Argonne, LLC tarafından yönetilmektedir.

Argonne'un Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi Hakkında

Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi, DOE Bilim Ofisi tarafından desteklenen nano ölçekte disiplinlerarası araştırmalar için önde gelen ulusal kullanıcı tesisleri olan beş DOE Nano Ölçekli Bilim Araştırma Merkezi'nden biridir. NSRC'ler, araştırmacılara nano ölçekli malzemeleri üretmek, işlemek, karakterize etmek ve modellemek için en son teknolojiye sahip yetenekler sağlayan bir dizi tamamlayıcı tesis içerir ve Ulusal Nanoteknoloji Girişimi'nin en büyük altyapı yatırımını oluşturur. NSRC'ler DOE'nin Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarlarında bulunmaktadır. DOE NSRC'leri hakkında daha fazla bilgi için lütfen şu adresi ziyaret edin: https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

ABD Enerji Bakanlığı'nın Bilim Ofisi, Birleşik Devletler'deki fiziksel bilimlerdeki temel araştırmaların en büyük tek destekçisidir ve zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır. Daha fazla bilgi için ziyaret edin https://energy.gov/science .

Daha fazla bilgi için lütfen tıklayın okuyun

İletişim:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Telif Hakkı © Argonne Ulusal Laboratuvarı

Bir yorumunuz varsa, lütfen İletişim bize.

7th Wave, Inc. veya Nanotechnology Now değil, haber bültenleri yayıncıları yalnızca içeriğin doğruluğundan sorumludur.

Yer imi: