A tudósok hatékony vízhasító katalizátort gyártanak és tesztelnek, amelyet az elmélet jósol | EatchbQ

A tudósok hatékony vízhasító katalizátort gyártanak és tesztelnek, amelyet az elmélet jósol

Ezt a cikket a Science X’s szerint felülvizsgálták szerkesztési folyamat
és irányelveket.
Szerkesztők a következő jellemzőket hangsúlyozta, és egyben biztosította a tartalom hitelességét:

tényekkel ellenőrzött

lektorált kiadvány

megbízható forrás

lektorált


Ez a vázlat azt mutatja be, hogyan egy katalizátor néhány réteg irídium-oxidból (IrOx) titán-nitridből (TiN) készült hordozón hatékonyan képes oxigént termelni (O2), hidrogénionok (H+), és elektronok (pl) vízmolekulákból (H2O) savas elektrolitban. Ez az “oxigénfejlődési reakció” a nagyobb kihívás a két reakció közül, amelyek a víz felosztásához szükségesek hidrogéngáz előállításához (H2). Köszönetnyilvánítás: Tianyou Mou/Brookhaven Nemzeti Laboratórium

× Bezárás


Ez a vázlat azt mutatja be, hogyan egy katalizátor néhány réteg irídium-oxidból (IrOx) titán-nitridből (TiN) készült hordozón hatékonyan képes oxigént termelni (O2), hidrogénionok (H+), és elektronok (pl) vízmolekulákból (H2O) savas elektrolitban. Ez az “oxigénfejlődési reakció” a nagyobb kihívás a két reakció közül, amelyek a víz felosztásához szükségesek hidrogéngáz előállításához (H2). Köszönetnyilvánítás: Tianyou Mou/Brookhaven Nemzeti Laboratórium

Hidrogén (H2) ígéretes tüzelőanyag az üvegházhatású gázok csökkentésére, különösen, ha megújuló energia felhasználásával állítják elő vízmolekulák felosztására (H2SZIGET). De amilyen egyszerűnek is tűnik a víz hidrogénné és oxigénné való felosztása, a kémia összetett.

Két különálló egyidejű elektrokémiai reakcióhoz katalizátorokra van szükség, kémiai “üzletszerzőkre”, amelyek segítenek megszakítani és újra létrehozni a kémiai kötéseket. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Brookhaven National Laboratory-jának és a Columbia Egyetem kutatói most azt mondják, hogy új, hatékony katalizátort fejlesztettek ki a nagyobb kihívást jelentő részhez: az oxigénfejlődési reakcióhoz.

Ahogy egy újságban leírták éppen közzétett ban ben Az American Chemical Society folyóirataa katalizátort “alulról felfelé” tervezték olyan elméleti számítások alapján, amelyek célja az irídium, a katalitikus anyagként használt drága fém mennyiségének minimalizálása, valamint a katalizátor stabilitásának maximalizálása savas körülmények között.

Amikor a csapat létrehozta a katalizátor modelljeit és tesztelte azokat a laboratóriumban, az eredmények igazolták az előrejelzéseket. A kutatók ezután por alakú katalizátort készítettek, hasonlóan az ipari alkalmazásokhoz, és kimutatták, hogy hatékonyan képes hidrogént előállítani egy vízhasító elektrolizátorban.

“Ebben a valós tesztben a katalizátorunk körülbelül négyszer jobb, mint a legmodernebb, kereskedelemben kapható irídium katalizátor” – mondta Jingguang Chen, a Columbia Egyetem vegyészmérnöke, aki a Brookhaven Lab kémiai osztályán dolgozik. , aki a kutatást vezette. Más szóval, az új katalizátornak négyszer kevesebb irídiumra van szüksége ahhoz, hogy a hidrogént ugyanolyan sebességgel állítsa elő, mint a kereskedelmi változatnál – vagy négyszer gyorsabban állítja elő a hidrogént azonos mennyiségű irídium esetén.

A Brookhaven Lab elméleti vegyésze, Ping Liu, aki a katalizátor tervezését alátámasztó számításokat vezette, a következőket mondta: “Ez a tanulmány megmutatja, hogyan lehet eljutni az atomi szinten történések elméleti megértésétől a gyakorlati felhasználású katalizátor tervezéséig. jobban megértjük, hogyan működik ez a katalizátor, és közelebb visz minket a való világhoz.”

A fennmaradó kihívás a termelés növelése.

“Csak milligramm katalizátort gyártunk tételenként” – mondta Chen. “Ha megatonnányi zöld hidrogént szeretne előállítani, akkor kilogrammokra vagy tonnák katalizátorra van szüksége. Ezt még nem tudjuk ilyen nagy léptékben megtenni.”

Az irídium csökkentése

Az irídium az előnyös katalizátor az oxigénfejlődési reakcióhoz, amely egy elektrolizátor anódján megy végbe. Ez biztosítja az elektromosan töltött aktív helyeket, amelyek elválasztják a szorosan kötött hidrogénionokat (H+) oxigénből (O). Amellett, hogy elengedte H+ ionok – amelyek hozzájárulnak az erősen savas reakciókörülményekhez – a reakció oxigéngázt (O2) és elektronok. Ezekre az elektronokra van szükség a második, kevésbé kihívást jelentő „hidrogénfejlődési” reakcióhoz: a hidrogénionok párosításához, hogy hidrogéngázt képezzenek az elektrolizátor katódján.

“Az irídium jelenleg az egyik egyetlen stabil elem a savas oxigénfejlődési reakcióban” – mondta Chen. Ez “sajnos” – jegyezte meg, mert “az irídium még ritkább és drágább, mint a platina”.

Ez a motiváció az irídium mennyiségének csökkentésére.

“A nanoméretű részecskékből készült ipari katalizátorokban csak a felszínen lévő atomok vesznek részt a reakcióban” – mondta Chen. “Ez azt jelenti, hogy a részecske belsejében lévő irídium nagy része elpazarol.”

Talán a teljesen irídium részecskék használata helyett lehetne katalizátort készíteni egy olcsóbb anyagból, amelynek felületén csak irídium van, érvelt a csapat.

A csapat feltárta a földben gazdag elemek, például a titán felhasználását. Azt találták, hogy a titán és nitrogén kombinációja elegendő stabilitást biztosít ezeknek a “titán-nitrideknek” ahhoz, hogy túléljék a savas reakciókörülményeket. Talán a titán-nitrid szolgálhat az irídiummal bevont katalitikus részecskék magjaként.

De mennyi irídiumot kell a tetejére tenni? Itt jönnek be az elméleti számítások.

Ideális szerkezet számítása

“Sűrűség-funkcionális elméleti számításokat használtunk annak modellezésére, hogy a titán-nitriden lévő irídium különböző rétegei hogyan befolyásolják a katalizátor stabilitását és aktivitását savas oxigénfejlődési reakciókörülmények között” – mondta Liu. Ő és csapata a Brookhaven Labs Funkcionális Nanomaterials Központjában (CFN) és a DOE Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumában működő Nemzeti Energiakutatási Tudományos Számítástechnikai Központban (NERSC) használt számítási erőforrásokat használta a szimulációk futtatásához.

A számítások azt jósolták, hogy egy réteg irídium nem lenne elegendő az oxigénfejlődési reakció elindításához, de két vagy három réteg javítja a teljesítményt és a katalitikus stabilitást.

“Ezek amolyan szűrés előtti kísérletek voltak” – mondta Liu. “Ezután átadtuk ezeket a szűrési eredményeket a kísérleti csapatnak, hogy valódi katalizátorokat készítsenek és értékeljék katalitikus aktivitásukat.”

Az előrejelzések érvényesítése

Először a csapat vékony filmeket készített, ahol gondosan ellenőrzött rétegeket tudtak létrehozni, amelyek hasonlítanak az elméleti modellezési számításokban használt felületekre. Apró nanoméretű részecskékből álló porított mintákat is készítettek, olyan formát, amelyet a katalizátor ipari alkalmazásokban öltene. Ezután különféle technikák segítségével tanulmányozták a vékony filmeket – beleértve a rétegek közötti határfelületeket – és a nanorészecskéket.

Ezek közé tartozott a transzmissziós elektronmikroszkópia a CFN-nél és a röntgenspektroszkópiás vizsgálatok a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) gyors röntgenabszorpciós és szórási (QAS) sugárvonalán, amely a minták megfejtésére szolgáló fényes röntgensugarak forrása. . kémiai és fizikai tulajdonságait.

“Az volt a hipotézisünk, hogy ha az irídium kötődik a titán-nitridhez, ez a kötődés stabilizálja az irídiumot és javítja a reakciót” – mondta Chen.

A jellemzési vizsgálatok megerősítették az előrejelzéseket.

“A szinkrotron vizsgálatok feltárták az irídium és a titán atomok oxidációs állapotát és helyi koordinációs környezetét reakciókörülmények között” – mondta Chen. “Megerősítették, hogy az irídium és a titán erős kölcsönhatásban vannak.”

“A nanorészecskék elemeinek feltérképezése CFN-en megerősítette a részecskeméretet és az összetételt, beleértve az irídium-oxidok jelenlétét a titán-nitrid hordozók felületén” – tette hozzá.

Liu hangsúlyozta, hogy a jellemzési tanulmányok tájékoztatták a kutatókat a katalizátorról.

“Azt találtuk, hogy az irídium és a titán közötti kölcsönhatás nem csak a katalizátor stabilitása szempontjából hasznos, hanem aktivitásának finomhangolásához is” – mondta. “A töltetek olyan módon változtatják meg a kémiát, ami javítja a reakciót.”

Pontosabban, a titánról az irídium felületére átvitt töltések megváltoztatják az aktív irídium helyek elektronikus szerkezetét, hogy optimalizálják a reakció közbenső termékek kötődését, magyarázta.

“Ha az irídium egy rétegéről háromra vált, jelentősen megnöveli a töltésátvitelt a nitridről a felső irídiumra” – jegyezte meg Liu. De a különbség két és három réteg között nem volt túl nagy. Két réteg elegendő lehet a magas stabilitás, aktivitás és alacsony költség biztosításához.

Annak érdekében, hogy ez a katalizátor készen álljon a valós használatra, a kutatók rámutattak, hogy a termelés növelésének kihívása mellett a porok konzisztenciájának optimalizálása is lehetséges.

“Amikor vékony filmeket készítünk, tudjuk szabályozni a rétegeket, de a porszintézisnél nincs ilyen szabályozás” – mondta Chen. “Por részecskéink körül nem található folytonos irídium héj. Ez a tanulmány azonban olyan iránymutatást ad, amelyet az ipari vegyészek felhasználhatnak valódi maghéj-szerkezetek előállításához, amelyekben egyenletes vékony irídiumréteg van” – mondta.

Az ilyen katalizátorok segíthetnek csökkenteni a vízfelosztás költségeit, és közelebb hozhatják a tudósokat a nagy mennyiségű zöld hidrogén előállításához.

Több információ:
Xue Han és munkatársai, A titán-nitriddel támogatott IrOx elméleti előrejelzése és kísérleti ellenőrzése savas oxigénfejlődési reakcióhoz, Az American Chemical Society folyóirata (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c02936

A folyóirat információi:
Az American Chemical Society folyóirata


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *