Sp altning af vandmolekyler for en fremtid med vedvarende energi

Sp altning af vandmolekyler for en fremtid med vedvarende energi
Sp altning af vandmolekyler for en fremtid med vedvarende energi
Anonim

Fremtidens økonomi baseret på vedvarende og bæredygtige energikilder kan bruge batteridrevne biler, storskala sol- og vindmølleparker og energireserver lagret i batterier og kemiske brændstoffer. Selvom der allerede er eksempler på bæredygtige energikilder, der er i brug, vil videnskabelige og tekniske gennembrud bestemme tidslinjen for udbredt anvendelse.

Et foreslået paradigme for at skifte væk fra fossile brændstoffer er brintøkonomien, hvor brintgas driver samfundets elektriske behov. For at masseproducere brintgas studerer nogle videnskabsmænd processen med at sp alte vand - to brintatomer og et oxygenatom - hvilket ville resultere i brintbrændstof og åndbar oxygengas.

Feng Lin, en assisterende professor i kemi ved Virginia Tech College of Science, fokuserer på energilagring og omdannelsesforskning. Dette arbejde er en del af en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Catalysis, der løser en vigtig, grundlæggende barriere i den elektrokemiske vandsp altningsproces, hvor Lin Lab demonstrerer en ny teknik til at samle, genoplive og genbruge en katalysator, der giver mulighed for energieffektiv vandsp altning. Chunguang Kuai, en tidligere kandidatstuderende hos Lin, er førsteforfatter af undersøgelsen sammen med Lin og medforfatterne til kemi-kandidatstuderende Zhengrui Xu, Anyang Hu og Zhijie Yang.

Kerneideen i denne undersøgelse går tilbage til et emne i almindelige kemiklasser: katalysatorer. Disse stoffer øger hastigheden af en reaktion uden at blive forbrugt i den kemiske proces. En måde, hvorpå en katalysator øger reaktionshastigheden, er ved at reducere mængden af energi, der er nødvendig for, at reaktionen kan begynde.

Vand kan virke grundlæggende som et molekyle, der kun består af tre atomer, men processen med at sp alte det er ret vanskelig. Men Lins laboratorium har gjort det. Selv flytning af en elektron fra et stabilt atom kan være energikrævende, men denne reaktion kræver overførsel af fire for at oxidere oxygen for at producere oxygengas.

"I en elektrokemisk celle vil fire-elektronoverførselsprocessen gøre reaktionen ret træg, og vi er nødt til at have et højere elektrokemisk niveau for at få det til at ske," sagde Lin. "Med en større energi, der er nødvendig for at sp alte vand, bliver den langsigtede effektivitet og katalysatorstabilitet nøgleudfordringer."

For at opfylde det høje energibehov introducerer Lin Lab en fælles katalysator kaldet blandet nikkeljernhydroxid (MNF) for at sænke tærsklen. Vandsp altningsreaktioner med MNF fungerer godt, men på grund af MNF's høje reaktivitet har den en kort levetid, og den katalytiske ydeevne falder hurtigt.

Lin og hans team opdagede en ny teknik, der ville give mulighed for periodisk gensamling til MNF's oprindelige tilstand, og dermed tillade processen med at sp alte vand at fortsætte.(Holdet brugte ferskvand i deres eksperimenter, men Lin foreslår, at s altvand - den mest udbredte form for vand på Jorden - også kunne fungere.)

MNF har en lang historie med energistudier. Da Thomas Edison puslede med batterier for mere end et århundrede siden, brugte han også de samme nikkel- og jernelementer i nikkelhydroxid-baserede batterier. Edison observerede dannelsen af iltgas i sine nikkelhydroxidforsøg, hvilket er dårligt for et batteri, men i tilfælde af sp altning af vand er produktionen af iltgas målet.

"Forskere har i lang tid indset, at tilsætning af jern til nikkelhydroxidgitteret er nøglen til reaktivitetsforøgelsen af vandsp altning." sagde Kuai. "Men under de katalytiske forhold er strukturen af den præ-designede MNF meget dynamisk på grund af det stærkt korrosive miljø i den elektrolytiske opløsning."

Under Lins eksperimenter nedbrydes MNF fra en fast form til metalioner i den elektrolytiske opløsning - en vigtig begrænsning for denne proces. Men Lins team observerede, at når den elektrokemiske celle skifter fra det høje, elektrokatalytiske potentiale til et lavt, reducerende potentiale, blot i en periode på to minutter, samles de opløste metalioner igen til den ideelle MNF-katalysator. Dette sker på grund af en vending af pH-gradienten i grænsefladen mellem katalysatoren og den elektrolytiske opløsning.

"Under det lave potentiale i to minutter viste vi, at vi ikke kun får nikkel- og jernioner aflejret tilbage i elektroden, men at vi blander dem meget godt sammen og skaber meget aktive katalytiske steder," sagde Lin. "Dette er virkelig spændende, fordi vi genopbygger de katalytiske materialer på atomær længdeskala inden for et par nanometer elektrokemisk grænseflade."

En anden grund til, at reformeringen fungerer så godt, er, at Lin Lab syntetiserede romanen MNF som tynde plader, der er nemmere at samle igen end et bulkmateriale.

Validering af fund gennem røntgenstråler

For at bekræfte disse resultater udførte Lins team synkrotron røntgenmålinger ved Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory og ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource fra SLAC National Accelerator Laboratory. Disse målinger bruger den samme grundlæggende forudsætning som den almindelige røntgenstråle på hospitalet, men i en meget større skala.

"Vi ønskede at observere, hvad der var sket under hele denne proces," sagde Kuai. "Vi kan bruge røntgenbilleder til bogstaveligt t alt at se opløsningen og genaflejringen af disse metaljern for at give et grundlæggende billede af de kemiske reaktioner."

Synkrotronfaciliteter kræver en massiv sløjfe, svarende til størrelsen af borefeltet ved Virginia Tech, der kan udføre røntgenspektroskopi og billeddannelse ved høje hastigheder. Dette giver Lin høje niveauer af data under de katalytiske driftsforhold. Undersøgelsen giver også indsigt i en række andre vigtige elektrokemiske energividenskaber, såsom nitrogenreduktion, kuldioxidreduktion og zink-luft-batterier.

"Ud over billeddannelse har adskillige røntgenspektroskopiske målinger gjort det muligt for os at studere, hvordan individuelle metalioner kommer sammen og danner klynger med forskellige kemiske sammensætninger," sagde Lin. "Dette har virkelig åbnet døren for sondering af elektrokemiske reaktioner i rigtige kemiske reaktionsmiljøer."

Arbejdet blev støttet af opstartsmidler fra Institut for Kemi og Institut for Kritisk Teknologi og Anvendt Videnskab.

Populært emne.