Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Feltforsøg viser, at nyt katalysatormateriale til elektrolysatorer er pålideligt

Forskerne Emiliana Fabbri og Thomas Schmidt i et laboratorium på PSI, hvor de gennemførte eksperimenter for at studere ydelsen af ​​den nyudviklede katalysator til elektrolysatorer. Kredit:Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic

Effektive lagringsteknologier er nødvendige, hvis sol- og vindenergi skal bidrage til at opfylde øgede energibehov. En vigtig tilgang er lagring i form af hydrogen, der udvindes fra vand ved hjælp af solenergi eller vindenergi. Denne proces finder sted i en såkaldt elektrolyser. Takket være et nyt materiale udviklet af forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og Empa, disse enheder vil sandsynligvis blive billigere og mere effektive i fremtiden. Det pågældende materiale fungerer som en katalysator, der fremskynder splittelsen af ​​vandmolekyler:det første trin i produktionen af ​​brint. Forskere viste også, at dette nye materiale pålideligt kan produceres i store mængder og demonstrerede dets ydeevne inden for en teknisk elektrolysecelle - hovedkomponenten i en elektrolysator. Resultaterne af deres forskning er blevet offentliggjort i den aktuelle udgave af det videnskabelige tidsskrift Naturmaterialer .

Da solenergi og vindenergi ikke altid er tilgængelig, det vil kun bidrage væsentligt til at imødekomme energibehov, når der er udviklet en pålidelig opbevaringsmetode. En lovende tilgang til dette problem er opbevaring i form af brint. Denne proces kræver en elektrolysator, som bruger elektricitet fra solenergi eller vindenergi til at splitte vand i brint og ilt. Hydrogen fungerer som energibærer. Det kan opbevares i tanke og senere omdannes til elektrisk energi ved hjælp af brændselsceller. Denne proces kan udføres lokalt, på steder, hvor der er brug for energi, f.eks. husholdninger eller brændselscellekøretøjer, muliggør mobilitet uden udledning af CO2.

Billig og effektiv

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har nu udviklet et nyt materiale, der fungerer som en katalysator i en elektrolysator og dermed fremskynder splittelsen af ​​vandmolekyler:det første trin i produktionen af ​​brint. "Der er i øjeblikket to typer elektrolysatorer på markedet:Den ene er effektiv, men dyr, fordi dens katalysatorer indeholder ædle metaller som iridium. De andre er billigere, men mindre effektive", forklarer Emiliana Fabbri, forsker ved Paul Scherrer Institute. "Vi ville udvikle en effektiv, men billigere katalysator, der fungerede uden brug af ædelmetaller."

Nanopartikler af en perovskit, der kan bruges som en effektiv katalysator for elektrolysatorer. Indsatsen viser en forstørrelse. Kredit:Paul Scherrer Institute/Emiliana Fabbri

Undersøgelse af denne procedure, forskere var i stand til at bruge et materiale, der allerede var udviklet:en indviklet forbindelse af elementerne barium, strontium, kobolt, jern og ilt-en såkaldt perovskit. Men de var de første til at udvikle en teknik, der muliggjorde dens produktion i form af små nanopartikler. Dette er den form, der kræves for at den kan fungere effektivt, da en katalysator kræver et stort overfladeareal, hvor mange reaktive centre er i stand til at fremskynde den elektrokemiske reaktion. Når individuelle katalysatorpartikler er blevet gjort så små som muligt, deres respektive overflader kombineres til at skabe et meget større samlet overfladeareal.

Forskere brugte en såkaldt flammespray til at producere dette nanopulver:en enhed, der drives af Empa, der sender materialets bestanddele gennem en flamme, hvor de smelter sammen og hurtigt størkner til små partikler, når de forlader flammen. "Vi var nødt til at finde en måde at betjene enheden på, som pålideligt garanterede størkningen af ​​atomerne i de forskellige elementer i den rigtige struktur, "understreger Fabbri." Vi var også i stand til at variere iltindholdet, hvor det var nødvendigt, muliggør produktion af forskellige materialevarianter. "

Struktur af en perovskit. De kemiske symboler svarer til det undersøgte materiale. De røde kugler repræsenterer ilt. Kredit:Paul Scherrer Institute/Emiliana Fabbri

Vellykkede felttest

Forskere kunne vise, at disse procedurer ikke kun fungerer i laboratoriet, men også i praksis. Produktionsmetoden leverer store mængder af katalysatorpulveret og kan gøres let tilgængelig til industriel brug. "Vi var ivrige efter at teste katalysatoren under feltforhold. Selvfølgelig, vi har testfaciliteter på PSI, der er i stand til at undersøge materialet, men dets værdi afhænger i sidste ende af dets egnethed til industrielle elektrolyseceller, der bruges i kommercielle elektrolysatorer, "siger Fabbri. Forskere testede katalysatoren i samarbejde med en elektrolysørproducent i USA og kunne vise, at enheden arbejdede mere pålideligt med den nye PSI-producerede perovskit end med en konventionel iridiumoxidkatalysator.

Undersøgelse i millisekunder

Forskere var også i stand til at udføre præcise eksperimenter, der gav præcise oplysninger om, hvad der sker i det nye materiale, når det er aktivt. Dette indebar at studere materialet med røntgenstråler på PSI's Swiss Light Source SLS. Denne facilitet giver forskere en unik målestation, der er i stand til at analysere et materiales tilstand over successive tidsrum på kun 200 millisekunder. "Dette gør det muligt for os at overvåge ændringer i katalysatoren under den katalytiske reaktion:vi kan observere ændringer i de elektroniske egenskaber eller arrangementet af atomer, "siger Fabbri. På andre faciliteter, hver enkelt måling tager cirka 15 minutter, giver i bedste fald kun et gennemsnitligt billede. "Disse målinger viste også, hvordan strukturerne på partikeloverflader ændres, når de er aktive - dele af materialet bliver amorfe, hvilket betyder, at atomerne i de enkelte områder ikke længere er ensartet arrangeret. Uventet, dette gør materialet til en bedre katalysator.


Varme artikler