Ny effektiv, lavtemperatur katalysator til brintproduktion

Forskere har udviklet en ny lavtemperatur-katalysator til fremstilling af høj renhedsgrad af hydrogengas samtidig med, at der bruges kulilte (CO). Opdagelsen er beskrevet i et papir, der skal publiceres online i tidsskriftet Videnskab på torsdag, 22. juni kl. 2017-kunne forbedre ydeevnen for brændselsceller, der kører på brintbrændstof, men kan blive forgiftet af CO.

"Denne katalysator producerer en renere form for brint til at trænge ind i brændselscellen, "sagde José Rodriguez, en kemiker ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory. Rodriguez og kolleger i Brookhaven's Chemistry Division-Ping Liu og Wenqian Xu-var blandt teamet af forskere, der hjalp med at karakterisere de strukturelle og mekanistiske detaljer i katalysatoren, som blev syntetiseret og testet af samarbejdspartnere ved Peking University i et forsøg ledet af kemiprofessor Ding Ma.

Fordi katalysatoren fungerer ved lav temperatur og lavt tryk for at omdanne vand (H2O) og kulilte (CO) til hydrogengas (H2) og kuldioxid (CO2), det kan også sænke omkostningerne ved at køre denne såkaldte "vandgasforskydning" -reaktion.

"Med lav temperatur og tryk, energiforbruget vil være lavere, og den eksperimentelle opsætning vil være billigere og lettere at bruge i små indstillinger, som brændselsceller til biler, "Sagde Rodriguez.

Guldkarbidforbindelsen

Katalysatoren består af klynger af guldnanopartikler lagdelt på et molybdæn-carbidsubstrat. Denne kemiske kombination er ganske forskellig fra de oxidbaserede katalysatorer, der bruges til at drive vandgasforskydningsreaktionen i store industrielle brintproduktionsanlæg.

"Carbider er mere kemisk reaktive end oxider, "sagde Rodriguez, "og guld-carbid-grænsefladen har gode egenskaber for vandgasforskydningsreaktionen; den interagerer bedre med vand end rene metaller."

"Gruppen ved Peking Universitet opdagede en ny syntetisk metode, og det var et rigtigt gennembrud, "Rodriguez sagde." De fandt en måde at få en bestemt fase-eller konfiguration af atomer-der er meget aktiv for denne reaktion. "

Brookhaven -forskere spillede en central rolle i at dechifrere årsagerne til denne konfigurations høje katalytiske aktivitet. Rodriguez, Wenqian Xu, og Siyu Yao (dengang studerende ved Peking University, men nu postdoktor ved Brookhaven) gennemførte strukturstudier ved hjælp af røntgendiffraktion ved National Synchrotron Light Source (NSLS), mens katalysatoren opererede under industrielle eller tekniske forhold. Disse operandoeksperimenter afslørede afgørende detaljer om, hvordan strukturen ændrede sig under forskellige driftsbetingelser, herunder ved forskellige temperaturer.

Med disse strukturelle detaljer i hånden, Zhijun Zuo, en gæsteprofessor ved Brookhaven fra Taiyuan University of Technology, Kina, og Brookhaven -kemikeren Ping Liu var med til at udvikle modeller og en teoretisk ramme til at forklare, hvorfor katalysatoren fungerer, som den gør, ved hjælp af beregningsressourcer på Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN).

"Vi modellerede forskellige grænseflader af guld og molybdæncarbid og studerede reaktionsmekanismen for at identificere præcis, hvor reaktionerne finder sted-de aktive steder, hvor atomer bindes, og hvordan bindinger bryder og reformerer, " hun sagde.

Yderligere undersøgelser ved Oak Ridge National Laboratory's Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), den avancerede lyskilde (ALS) ved Lawrence Berkeley National Laboratory, og to synkrotronforskningsfaciliteter i Kina øgede forskernes forståelse.

"Dette er en kompleks flerreaktion, "sagde Liu, men hun bemærkede en væsentlig faktor:"Interaktionen mellem guldet og carbidsubstratet er meget vigtig. Guld binder normalt ting meget svagt. Med denne syntesemetode får vi en stærkere vedhæftning af guld til molybdæncarbid på en kontrolleret måde."

Denne konfiguration stabiliserer det centrale mellemprodukt, der dannes, når reaktionen forløber, og stabiliteten af ​​dette mellemprodukt bestemmer hastigheden af ​​brintproduktion, hun sagde.

Brookhaven-teamet vil fortsætte med at studere denne og andre hårdmetalkatalysatorer med nye muligheder på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en ny facilitet, der åbnede på Brookhaven Lab i 2014, udskiftning af NSLS og fremstilling af røntgenstråler, der er 10, 000 gange lysere. Med disse lysere røntgenstråler, forskerne håber at fange flere detaljer om kemien i aktion, herunder detaljer om mellemprodukterne, der dannes under hele reaktionsprocessen for at validere de teoretiske forudsigelser, der er foretaget i denne undersøgelse.