Better Solutions For Making Hydrogen May Lie Just At The Surface

Перевидано Платоном

читають: 0

Головна > прес > Кращі рішення для отримання водню можуть лежати просто на поверхні

Унікальна взаємодія між оксидом перовскіту, його мінливим поверхневим шаром і видами заліза, які є активними для OER, відкриває новий шлях для розробки активних і стабільних матеріалів, наближаючи нас на крок ближче до ефективного та доступного виробництва зеленого водню. КРЕДИТ Аргонська національна лабораторія

Анотація:
Майбутнє чистої енергії на водневому паливі залежить від того, як надійно та ефективно розділяти воду. Це тому, що, хоча водень є у великій кількості, він повинен бути отриманий з іншої речовини, яка його містить, і сьогодні ця речовина часто є газоподібним метаном. Вчені шукають способи виділити цей енергоносійний елемент без використання викопного палива. Це прокладе шлях для автомобілів, що працюють на водневому паливі, наприклад, які випускають лише воду та тепле повітря у вихлопній трубі.

Кращі рішення для отримання водню можуть лежати просто на поверхні

Аргонн, Іллінойс | Опубліковано 9 квітня 2021 р

Вода, або H2O, об'єднує водень і кисень. Атоми водню у формі молекулярного водню повинні бути відокремлені від цієї сполуки. Цей процес залежить від ключового — але часто повільного — етапу: реакції виділення кисню (OER). OER – це те, що вивільняє молекулярний кисень із води, і контроль цієї реакції важливий не лише для виробництва водню, але й для різноманітних хімічних процесів, у тому числі тих, що відбуваються в акумуляторах.

«Реакція виділення кисню є частиною дуже багатьох процесів, тому застосування тут досить широке». — П’єтро Папа Лопес, помічник наукового співробітника Аргонни

Дослідження, проведене вченими Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE), висвітлює зміну форми оксидів перовскіту, багатообіцяючого типу матеріалу для прискорення OER. Оксиди перовскіту охоплюють ряд сполук, які мають подібну кристалічну структуру. Зазвичай вони містять лужноземельний метал або лантаноїди, такі як La та Sr, у A-положенні, і перехідний метал, наприклад Co, у B-положенні, у поєднанні з киснем у формулі ABO3. Дослідження дають змогу зрозуміти, що можна використовувати для розробки нових матеріалів не лише для виготовлення відновлюваного палива, але й для зберігання енергії.

Оксиди перовскіту можуть викликати OER, і вони дешевші, ніж дорогоцінні метали, такі як іридій або рутеній, які також виконують цю роботу. Але оксиди перовскіту не такі активні (іншими словами, ефективні у прискоренні OER), як ці метали, і вони мають тенденцію повільно розкладатися.

«Розуміння того, як ці матеріали можуть бути активними та стабільними, стало для нас великою рушійною силою», — сказав П’єтро Папа Лопес, помічник наукового співробітника відділу матеріалознавства Argonne, який керував дослідженням. «Ми хотіли дослідити взаємозв’язок між цими двома властивостями і як це пов’язано з властивостями самого перовскіту».

Попередні дослідження були зосереджені на об’ємних властивостях перовскітних матеріалів і на тому, як вони пов’язані з активністю OER. Проте дослідники задавалися питанням, чи є в цій історії щось інше. Зрештою, поверхня матеріалу, де він реагує з навколишнім середовищем, може абсолютно відрізнятися від решти. Подібні приклади є в природі всюди: згадайте розрізаний навпіл авокадо, який швидко підрум’янюється там, де зустрічається з повітрям, але залишається зеленим усередині. Для перовскітних матеріалів поверхня, яка відрізняється від маси, може мати важливі наслідки для того, як ми розуміємо їхні властивості.

У системах водяного електролізера, які розщеплюють воду на водень і кисень, оксиди перовскіту взаємодіють з електролітом, що складається з води та спеціальних видів солі, створюючи інтерфейс, який дозволяє пристрою працювати. Оскільки застосовується електричний струм, цей інтерфейс має вирішальне значення для запуску процесу розщеплення води. «Поверхня матеріалу є найважливішим аспектом того, як відбуватиметься реакція виділення кисню: яка напруга вам потрібна та скільки кисню та водню ви збираєтеся виробляти», — сказав Лопес.

Поверхня оксиду перовскіту не тільки відрізняється від решти матеріалу, але й змінюється з часом. «Після потрапляння в електрохімічну систему поверхня перовскіту розвивається і перетворюється на тонку аморфну плівку», — сказав Лопес. «Це ніколи не буває таким самим, як матеріал, з якого ви починаєте».

Дослідники поєднали теоретичні розрахунки та експерименти, щоб визначити, як поверхня перовскітного матеріалу розвивається під час OER. Щоб зробити це з точністю, вони вивчили перовскіт оксиду кобальту лантану та налаштували його, «легуючи» лантан стронцієм, більш реактивним металом. Чим більше стронцію було додано до початкового матеріалу, тим швидше його поверхня еволюціонувала та ставала активною для OER — процес, який дослідники змогли спостерігати з атомною роздільною здатністю за допомогою трансмісійної електронної мікроскопії. Дослідники виявили, що розчинення стронцію та втрата кисню з перовскіту сприяють утворенню цього аморфного поверхневого шару, що додатково пояснюється обчислювальним моделюванням, виконаним за допомогою Центру нанорозмірних матеріалів, Управління наукових користувачів DOE.

«Останньою відсутньою частиною, щоб зрозуміти, чому перовскіти були активними щодо OER, було дослідити роль невеликих кількостей заліза, присутнього в електроліті», — сказав Лопес. Та сама група дослідників нещодавно виявила, що сліди заліза можуть покращити OER на інших поверхнях з аморфного оксиду. Коли вони визначили, що поверхня перовскіту перетворюється на аморфний оксид, стало зрозуміло, чому залізо таке важливе.

«Комп’ютерні дослідження допомагають вченим зрозуміти механізми реакції, які включають як поверхню перовскіту, так і електроліт», — сказав Пітер Заполь, фізик з Аргонна та співавтор дослідження. «Ми зосередилися на механізмах реакції, які керують трендами активності та стабільності перовскітових матеріалів. Це зазвичай не робиться в обчислювальних дослідженнях, які, як правило, зосереджуються виключно на механізмах реакції, відповідальних за діяльність».

Дослідження показало, що поверхня оксиду перовскіту перетворилася на багату кобальтом аморфну плівку товщиною лише кілька нанометрів. Коли залізо було присутнє в електроліті, воно допомагало прискорити OER, тоді як багата кобальтом плівка мала стабілізуючий ефект на залізо, зберігаючи його активність на поверхні.

Результати пропонують нові потенційні стратегії для розробки перовскітних матеріалів — можна уявити собі створення двошарової системи, сказав Лопес, яка є навіть більш стабільною та здатною сприяти OER.

«OER є частиною дуже багатьох процесів, тому застосовність тут досить широка», — сказав Лопес. «Розуміння динаміки матеріалів та їхнього впливу на поверхневі процеси — це те, як ми можемо зробити системи перетворення та зберігання енергії кращими, ефективнішими та доступнішими».

# # #

Дослідження описано в статті, опублікованій і висвітленій 24 лютого на обкладинці журналу Американського хімічного товариства «Динамічні стабільні активні центри з еволюції поверхні перовскітних матеріалів під час виділення кисню». Окрім Лопеса та Запола, співавторами є Донг Янг Чунг, Хонг Чжен, Педро Фарінаццо Бергамо Діас Мартінс, Душан Стрмчник, Воїслав Стаменкович, Ненад Маркович і Джон Мітчелл з Аргонни; Сюе Руі та Роберт Клі з Університету Іллінойсу в Чикаго; та Haiying He в Університеті Вальпараїсо. Це дослідження фінансувалося Управлінням фундаментальних енергетичних наук Міністерства енергетики.

####

Про Аргоннську національну лабораторію
Аргоннська національна лабораторія шукає вирішення нагальних національних проблем у науці та техніці. Перша національна лабораторія в країні, Аргонн, проводить передові фундаментальні та прикладні наукові дослідження практично в кожній науковій дисципліні. Дослідники з Аргонна тісно співпрацюють з дослідниками з сотень компаній, університетів, федеральних, державних і муніципальних агентств, щоб допомогти їм вирішити їхні конкретні проблеми, підвищити наукове лідерство Америки та підготувати націю до кращого майбутнього. З співробітниками з більш ніж 60 країн, Argonne керує UChicago Argonne, LLC для Управління науки Міністерства енергетики США.

Про Центр нанорозмірних матеріалів Аргонна

Центр нанорозмірних матеріалів є одним із п’яти дослідницьких центрів нанорозмірних наукових досліджень Міністерства економіки США, головних національних установ для міждисциплінарних досліджень у нанорозмірі, які підтримує Управління науки Міністерства економіки. Разом NSRC складають набір додаткових засобів, які надають дослідникам найсучасніші можливості для виготовлення, обробки, характеристики та моделювання нанорозмірних матеріалів, і є найбільшою інфраструктурною інвестицією Національної нанотехнологічної ініціативи. NSRC розташовані в національних лабораторіях Міністерства енергетики Аргонна, Брукхейвена, Лоуренса Берклі, Оук-Ріджа, Сандіа та Лос-Аламоса. Для отримання додаткової інформації про NSRC DOE відвідайте https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Управління науки Міністерства енергетики США є найбільшим прихильником фундаментальних досліджень у сфері фізичних наук у Сполучених Штатах і працює над вирішенням деяких з найактуальніших проблем нашого часу. Для отримання додаткової інформації відвідайте https://energy.gov/science .

Для отримання додаткової інформації натисніть тут

Контакти:
Діана Андерсон
630-252-4593

@argonne

Авторське право © Аргоннська національна лабораторія

Якщо у вас є коментар, будь ласка Контакти нам.

Видавці випусків новин, а не 7th Wave, Inc. або Nanotechnology Now, несуть повну відповідальність за точність змісту.

Закладка: