Nghiên cứu cho thấy phản ứng cốt lõi của nhiều công nghệ năng lượng tái tạo

Nghiên cứu cho thấy phản ứng cốt lõi của nhiều công nghệ năng lượng tái tạo

Dấu thời gian: ngày 16 tháng 2024 năm 10 49:XNUMX sáng
Nút nguồn: 3064199
Ngày 16 tháng 2024 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Một phản ứng hóa học quan trọng - trong đó sự chuyển động của các proton giữa bề mặt điện cực và chất điện phân tạo ra dòng điện - là một bước quan trọng trong nhiều công nghệ năng lượng, bao gồm pin nhiên liệu và máy điện phân dùng để sản xuất khí hydro. Lần đầu tiên, các nhà hóa học MIT đã vạch ra chi tiết cách thức sự chuyển giao electron kết hợp proton này xảy ra ở bề mặt điện cực. Kết quả của họ có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế pin nhiên liệu, pin hoặc các công nghệ năng lượng khác hiệu quả hơn. Yogesh Surendranath, một nhà nghiên cứu cho biết: “Tiến bộ của chúng tôi trong bài báo này là nghiên cứu và hiểu bản chất cách các electron và proton này kết hợp ở một vị trí bề mặt, điều này có liên quan đến các phản ứng xúc tác quan trọng trong bối cảnh các thiết bị chuyển đổi năng lượng hoặc các phản ứng xúc tác”. giáo sư hóa học và kỹ thuật hóa học tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu. Trong số những phát hiện của mình, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi chính xác sự thay đổi độ pH của dung dịch điện phân xung quanh điện cực ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ chuyển động của proton và dòng electron bên trong điện cực. Sinh viên tốt nghiệp MIT Noah Lewis là tác giả chính của bài báo xuất hiện ngày hôm nay trên tạp chí Hóa học tự nhiên (“Khung cơ học cấp độ phân tử cho động học chuyển giao electron liên kết với proton”). Ryan Bisbey, cựu tiến sĩ MIT; Karl Westendorff, sinh viên tốt nghiệp MIT; và Alexander Soudackov, nhà khoa học nghiên cứu tại Đại học Yale, cũng là tác giả của bài báo. Tác dụng một điện thế làm cho một proton chuyển từ ion hydronium (bên phải) sang bề mặt điện cực. Tác dụng một điện thế làm cho một proton chuyển từ ion hydronium (bên phải) sang bề mặt điện cực. Bằng cách sử dụng các điện cực có vị trí liên kết proton được xác định ở cấp độ phân tử, các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một mô hình chung cho các phản ứng chuyển điện tử kết hợp proton giữa các bề mặt này. (Hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu)

Truyền proton

Sự chuyển điện tử kết hợp với proton xảy ra khi một phân tử, thường là nước hoặc axit, chuyển một proton sang một phân tử khác hoặc tới bề mặt điện cực, điều này kích thích chất nhận proton cũng nhận một electron. Loại phản ứng này đã được khai thác cho nhiều ứng dụng năng lượng. “Những phản ứng chuyển electron kết hợp proton này diễn ra khắp nơi. Chúng thường là những bước quan trọng trong cơ chế xúc tác và đặc biệt quan trọng đối với các quá trình chuyển đổi năng lượng như sản xuất hydro hoặc xúc tác pin nhiên liệu”, Surendranath nói. Trong máy điện phân tạo ra hydro, phương pháp này được sử dụng để loại bỏ proton khỏi nước và thêm electron vào proton để tạo thành khí hydro. Trong pin nhiên liệu, điện được tạo ra khi proton và electron được tách ra khỏi khí hydro và thêm oxy để tạo thành nước. Sự chuyển điện tử kết hợp với proton là phổ biến trong nhiều loại phản ứng hóa học khác, ví dụ như khử carbon dioxide (chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu hóa học bằng cách thêm electron và proton). Các nhà khoa học đã học được rất nhiều điều về cách những phản ứng này xảy ra khi chất nhận proton là phân tử, bởi vì chúng có thể kiểm soát chính xác cấu trúc của từng phân tử và quan sát cách các electron và proton truyền qua giữa chúng. Tuy nhiên, khi sự chuyển điện tử kết hợp proton xảy ra ở bề mặt của điện cực, quá trình này khó nghiên cứu hơn nhiều vì bề mặt điện cực thường rất không đồng nhất, với nhiều vị trí khác nhau mà một proton có thể liên kết vào. Để vượt qua trở ngại đó, nhóm MIT đã phát triển một phương pháp thiết kế bề mặt điện cực giúp họ kiểm soát chính xác hơn nhiều thành phần của bề mặt điện cực. Các điện cực của chúng bao gồm các tấm graphene với các hợp chất hữu cơ chứa vòng gắn trên bề mặt. Ở cuối mỗi phân tử hữu cơ này là một ion oxy tích điện âm có thể nhận proton từ dung dịch xung quanh, khiến một electron chạy từ mạch điện vào bề mặt than chì. Surendranath cho biết: “Chúng tôi có thể tạo ra một điện cực không bao gồm nhiều vị trí đa dạng mà là một dãy đồng nhất gồm một loại vị trí được xác định rất rõ ràng, mỗi vị trí có thể liên kết với một proton có cùng ái lực”. “Vì chúng tôi có những địa điểm được xác định rất rõ ràng này nên điều này cho phép chúng tôi làm là thực sự làm sáng tỏ động lực học của các quá trình này.” Sử dụng hệ thống này, các nhà nghiên cứu có thể đo dòng điện đến các điện cực, điều này cho phép họ tính toán tốc độ chuyển proton sang ion oxy trên bề mặt ở trạng thái cân bằng – trạng thái khi tốc độ cung cấp proton cho bề mặt và sự vận chuyển proton từ bề mặt trở lại dung dịch là bằng nhau. Họ phát hiện ra rằng độ pH của dung dịch xung quanh có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ này: Tỷ lệ cao nhất xảy ra ở điểm cực trị của thang pH - pH 0, độ axit cao nhất và pH 14, độ cơ bản nhất. Để giải thích những kết quả này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình dựa trên hai phản ứng có thể xảy ra ở điện cực. 3O+), có nồng độ cao trong dung dịch axit mạnh, cung cấp proton cho các ion oxy trên bề mặt, tạo ra nước. Trong lần thứ hai, nước cung cấp proton cho các ion oxy trên bề mặt, tạo ra các ion hydroxit (OH–), có nồng độ cao trong dung dịch bazơ mạnh. Tuy nhiên, tốc độ ở pH 0 nhanh hơn khoảng bốn lần so với tốc độ ở pH 14, một phần vì hydronium nhường proton với tốc độ nhanh hơn nước.

Một phản ứng để xem xét lại

Các nhà nghiên cứu cũng ngạc nhiên phát hiện ra rằng hai phản ứng có tốc độ bằng nhau không phải ở độ pH trung tính 7, nơi nồng độ hydronium và hydroxit bằng nhau, mà ở độ pH 10, nơi nồng độ ion hydroxit gấp 1 triệu lần so với hydronium. Mô hình cho thấy điều này là do phản ứng thuận liên quan đến việc cho proton từ hydronium hoặc nước đóng góp nhiều hơn vào tốc độ tổng thể so với phản ứng ngược liên quan đến việc loại bỏ proton bằng nước hoặc hydroxit. Các nhà nghiên cứu cho biết các mô hình hiện tại về cách các phản ứng này xảy ra ở bề mặt điện cực cho rằng các phản ứng thuận và phản ứng ngược đóng góp như nhau vào tỷ lệ tổng thể, vì vậy những phát hiện mới cho thấy những mô hình đó có thể cần phải được xem xét lại. Surendranath nói: “Đó là giả định mặc định, rằng phản ứng thuận và phản ứng nghịch đóng góp như nhau vào tốc độ phản ứng. “Phát hiện của chúng tôi thực sự khiến chúng tôi mở rộng tầm mắt vì nó có nghĩa là giả định mà con người đang sử dụng để phân tích mọi thứ, từ xúc tác tế bào nhiên liệu đến quá trình tiến hóa hydro có thể là điều chúng tôi cần xem xét lại.” Các nhà nghiên cứu hiện đang sử dụng thiết lập thử nghiệm của mình để nghiên cứu xem việc thêm các loại ion khác nhau vào dung dịch điện phân xung quanh điện cực có thể tăng tốc hoặc làm chậm tốc độ dòng electron kết hợp proton như thế nào. Lewis cho biết: “Với hệ thống của chúng tôi, chúng tôi biết rằng các vị trí của chúng tôi là không đổi và không ảnh hưởng lẫn nhau, vì vậy chúng tôi có thể đọc được sự thay đổi trong dung dịch đang tác động đến phản ứng trên bề mặt”.

Dấu thời gian:

Thêm từ công trình nano