Các giải pháp tốt hơn để tạo ra hydro có thể nằm ngay trên bề mặt

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Trang Chủ > Ấn Bản > Các giải pháp tốt hơn để tạo ra hydro có thể chỉ nằm ở bề mặt

Các tương tác độc đáo giữa oxit perovskite, lớp bề mặt thay đổi của nó, và các loại sắt đang hoạt động đối với OER mở ra một con đường mới cho việc thiết kế các vật liệu hoạt động và ổn định, đưa chúng ta tiến một bước gần hơn tới việc sản xuất hydro xanh hiệu quả và giá cả phải chăng. TÍN DỤNG Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne

Tóm tắt:
Một tương lai năng lượng sạch được thúc đẩy bởi nhiên liệu hydro phụ thuộc vào việc tìm ra cách tách nước một cách đáng tin cậy và hiệu quả. Đó là bởi vì, mặc dù hydro rất dồi dào, nhưng nó phải được lấy từ một chất khác chứa nó—và ngày nay, chất đó thường là khí metan. Các nhà khoa học đang tìm cách cô lập nguyên tố mang năng lượng này mà không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Điều đó sẽ mở đường cho những chiếc xe chạy bằng nhiên liệu hydro, chẳng hạn, chỉ thải ra nước và không khí ấm ở ống xả.

Các giải pháp tốt hơn để tạo ra hydro có thể chỉ nằm ở bề mặt

Argonne, IL | Đăng vào ngày 9 tháng 2021 năm XNUMX

Nước, hay H2O, kết hợp hydro và oxy. Các nguyên tử hydro ở dạng hydro phân tử phải được tách ra khỏi hợp chất này. Quá trình đó phụ thuộc vào một bước quan trọng — nhưng thường chậm —: phản ứng tiến hóa oxy (OER). OER là thứ giải phóng oxy phân tử khỏi nước và việc kiểm soát phản ứng này không chỉ quan trọng đối với quá trình sản xuất hydro mà còn đối với nhiều quy trình hóa học, bao gồm cả những quy trình được tìm thấy trong pin.

“Phản ứng tiến hóa oxy là một phần của rất nhiều quá trình, vì vậy khả năng ứng dụng ở đây khá rộng.” — Pietro Papa Lopes, trợ lý nhà khoa học Argonne

Một nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã làm sáng tỏ chất lượng thay đổi hình dạng trong oxit perovskite, một loại vật liệu đầy hứa hẹn để tăng tốc OER. Các oxit perovskite bao gồm một loạt các hợp chất có cấu trúc tinh thể tương tự nhau. Chúng thường chứa một kim loại kiềm thổ hoặc lantanua như La và Sr ở vị trí A, và một kim loại chuyển tiếp như Co ở vị trí B, kết hợp với oxy trong công thức ABO3. Nghiên cứu cung cấp cái nhìn sâu sắc có thể được sử dụng để thiết kế các vật liệu mới không chỉ để tạo ra nhiên liệu tái tạo mà còn lưu trữ năng lượng.

Oxit perovskite có thể tạo ra OER, và chúng rẻ hơn so với các kim loại quý như iridi hoặc rutheni cũng thực hiện công việc đó. Nhưng các oxit perovskite không hoạt động (nói cách khác, hiệu quả trong việc tăng tốc OER) như các kim loại này, và chúng có xu hướng phân hủy từ từ.

Pietro Papa Lopes, trợ lý khoa học tại bộ phận Khoa học Vật liệu của Argonne, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Hiểu được cách các vật liệu này có thể hoạt động và ổn định là động lực lớn đối với chúng tôi. “Chúng tôi muốn khám phá mối quan hệ giữa hai thuộc tính này và cách mối quan hệ đó kết nối với các thuộc tính của chính perovskite.”

Nghiên cứu trước đây đã tập trung vào các thuộc tính khối của vật liệu perovskite và cách chúng liên quan đến hoạt động OER. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu có nhiều điều hơn trong câu chuyện hay không. Rốt cuộc, bề mặt của vật liệu, nơi nó phản ứng với môi trường xung quanh, có thể hoàn toàn khác với phần còn lại. Những ví dụ như thế này có ở khắp mọi nơi trong tự nhiên: hãy nghĩ về một nửa quả bơ sẽ nhanh chóng chuyển sang màu nâu khi tiếp xúc với không khí nhưng vẫn giữ được màu xanh bên trong. Đối với vật liệu perovskite, một bề mặt trở nên khác biệt so với phần lớn có thể có ý nghĩa quan trọng đối với cách chúng ta hiểu các đặc tính của chúng.

Trong các hệ thống điện phân nước, phân tách nước thành hydro và oxy, các oxit perovskite tương tác với chất điện phân làm từ nước và các loại muối đặc biệt, tạo ra một giao diện cho phép thiết bị hoạt động. Khi dòng điện được áp dụng, giao diện đó rất quan trọng trong việc khởi động quá trình tách nước. Lopes nói: “Bề mặt của vật liệu là khía cạnh quan trọng nhất trong cách phản ứng tiến hóa oxy sẽ diễn ra: Bạn cần bao nhiêu điện áp, và bao nhiêu oxy và hydro bạn sẽ tạo ra.

Bề mặt của oxit perovskite không chỉ khác với phần còn lại của vật liệu mà còn thay đổi theo thời gian. Lopes cho biết: “Một khi nó ở trong một hệ thống điện hóa, bề mặt perovskite sẽ phát triển và biến thành một màng mỏng vô định hình. “Nó không bao giờ thực sự giống với tài liệu bạn bắt đầu.”

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các tính toán lý thuyết và các thí nghiệm để xác định bề mặt của vật liệu perovskite phát triển như thế nào trong OER. Để làm như vậy một cách chính xác, họ đã nghiên cứu perovskite oxit coban lantan và điều chỉnh nó bằng cách “pha tạp” lantan với stronti, một kim loại phản ứng mạnh hơn. Càng nhiều strontium được thêm vào vật liệu ban đầu, bề mặt của nó phát triển và hoạt động cho OER càng nhanh — một quá trình mà các nhà nghiên cứu có thể quan sát ở độ phân giải nguyên tử bằng kính hiển vi điện tử truyền qua. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự hòa tan stronti và mất oxy từ perovskite đang thúc đẩy sự hình thành lớp bề mặt vô định hình này, điều này được giải thích rõ hơn bằng mô hình tính toán được thực hiện bằng cách sử dụng Trung tâm Vật liệu nano, Văn phòng Người dùng Khoa học của DOE.

“Mảnh còn thiếu cuối cùng để hiểu tại sao perovskites hoạt động đối với OER là khám phá vai trò của một lượng nhỏ sắt có trong chất điện phân,” Lopes nói. Cùng một nhóm các nhà nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng dấu vết của sắt có thể cải thiện OER trên các bề mặt oxit vô định hình khác. Sau khi họ xác định rằng bề mặt perovskite phát triển thành oxit vô định hình, thì lý do tại sao sắt lại quan trọng đến vậy.

Peter Zapol, nhà vật lý tại Argonne và đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Các nghiên cứu tính toán giúp các nhà khoa học hiểu cơ chế phản ứng liên quan đến cả bề mặt perovskite và chất điện phân. “Chúng tôi tập trung vào các cơ chế phản ứng thúc đẩy cả hoạt động và xu hướng ổn định trong vật liệu perovskite. Điều này thường không được thực hiện trong các nghiên cứu tính toán, vốn có xu hướng chỉ tập trung vào các cơ chế phản ứng chịu trách nhiệm cho hoạt động này.”

Nghiên cứu phát hiện ra rằng bề mặt của oxit perovskite phát triển thành một màng vô định hình giàu coban chỉ dày vài nanomet. Khi sắt có mặt trong chất điện phân, sắt giúp tăng tốc OER, trong khi màng giàu coban có tác dụng ổn định sắt, giữ cho nó hoạt động trên bề mặt.

Các kết quả gợi ý các chiến lược tiềm năng mới để thiết kế các vật liệu perovskite — người ta có thể tưởng tượng việc tạo ra một hệ thống hai lớp, Lopes nói, thậm chí còn ổn định hơn và có khả năng thúc đẩy OER.

“OER là một phần của rất nhiều quy trình, vì vậy khả năng áp dụng ở đây là khá rộng,” Lopes nói. “Hiểu được động lực học của vật liệu và ảnh hưởng của chúng đối với các quy trình bề mặt là cách chúng tôi có thể làm cho các hệ thống lưu trữ và chuyển đổi năng lượng tốt hơn, hiệu quả hơn và giá cả phải chăng.”

# # #

Nghiên cứu được mô tả trong một bài báo được xuất bản và nhấn mạnh trên trang bìa ngày 24 tháng XNUMX của Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, “Các trang web hoạt động ổn định động từ sự phát triển bề mặt của vật liệu perovskite trong quá trình phát triển oxy.” Ngoài Lopes và Zapol, các đồng tác giả bao gồm Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic và John Mitchell tại Argonne; Xue Rui và Robert Klie tại Đại học Illinois ở Chicago; và Haiying He tại Đại học Valparaiso. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản của DOE.

####

Giới thiệu về Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne
Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne tìm kiếm giải pháp cho các vấn đề cấp bách của quốc gia về khoa học và công nghệ. Phòng thí nghiệm quốc gia đầu tiên của quốc gia, Argonne thực hiện các nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng hàng đầu trong hầu hết mọi lĩnh vực khoa học. Các nhà nghiên cứu của Argonne làm việc chặt chẽ với các nhà nghiên cứu từ hàng trăm công ty, trường đại học và các cơ quan liên bang, tiểu bang và thành phố để giúp họ giải quyết các vấn đề cụ thể của mình, nâng cao năng lực lãnh đạo khoa học của Hoa Kỳ và chuẩn bị cho quốc gia cho một tương lai tốt đẹp hơn. Với nhân viên từ hơn 60 quốc gia, Argonne được quản lý bởi UChi Chicago Argonne, LLC cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Giới thiệu về Trung tâm vật liệu nano của Argonne

Trung tâm Vật liệu cấp độ nano là một trong năm Trung tâm nghiên cứu khoa học cấp độ nano của DOE, cơ sở người dùng quốc gia hàng đầu cho nghiên cứu liên ngành ở cấp độ nano được Văn phòng Khoa học DOE hỗ trợ. Các NSRC cùng nhau bao gồm một bộ các cơ sở bổ sung cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng tiên tiến nhất để chế tạo, xử lý, mô tả đặc tính và mô hình hóa các vật liệu có kích thước nano, đồng thời tạo thành khoản đầu tư cơ sở hạ tầng lớn nhất của Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia. Các NSRC được đặt tại các Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia và Los Alamos của DOE. Để biết thêm thông tin về DOE NSRC, vui lòng truy cập https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập https://energy.gov/science .

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Diana Anderson
630-252-4593

@argonne

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: