Selvhelbredende katalysatorer gør det lettere at lagre solenergi med vand

(Phys.org) – I øjeblikket er en af ​​de mest effektive måder at lagre solenergi på at overføre energien til katalysatorer, der spalter vand til brint og ilt. Derefter kan brinten enten bruges som brændstof eller senere rekombineres med ilt for at producere vand og frigive elektricitet, når det er nødvendigt.

Imidlertid, et af problemerne ved at bruge vand til at lagre solenergi er, at katalysatorerne er lavet af jordrige grundstoffer (såsom mangan, kobolt, og nikkel), der korroderer i vand med neutral pH. For at løse dette problem, forskere har designet selvhelbredende katalysatorer, der kan regenerere sig selv i nærvær af andre elementer, såsom negativt ladede phosphat- eller borationer.

Et af de bemærkelsesværdige træk ved de selvhelbredende katalysatorer er, at så længe de er i drift, der er ingen grænse for antallet af gange, de kan helbrede sig selv.

Nu i et nyt papir offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , to af de forskere, der har udviklet den selvhelbredende katalysator, Cyrille Costentin ved Paris Diderot University og Daniel G. Nocera ved Harvard University, har undersøgt, hvordan denne proces fungerer på et mere detaljeret niveau.

"Dette papir giver en kvantitativ model for selvhelbredelse, " fortalte Nocera Phys.org . "Det strækker sig faktisk ud over energi og giver en køreplan for design af enhver selvhelbredende katalysator. Regelsættet er selvsamling og katalyse. Hvis energitilførslen til drift af katalysatoren er større end for selvmontering, så skal katalysatoren være selvhelende. Så principperne udviklet i dette papir er generelle."

Som forskerne viser i deres arbejde, en katalysator kan selvhelbredende, hvis selvhelbredende processen kræver mindre energi end den, der er nødvendig for normal katalysatordrift. En enkel måde at kontrollere selvhelbredelsesprocessen på er at justere pH i opløsningen, da mængden af ​​energi, der kræves til disse to processer, afhænger af pH.

Forskerne viser, at der er en kritisk pH-zone for selvhelbredelse, der afhænger af forskellige faktorer, især geometrien af ​​den vandspaltede celle og fosfat- eller boratbufferkoncentrationen. Heldigvis for praktiske anvendelser, forskerne viser, at selvhelbredelse kan forekomme over en lang række pH-værdier, herunder ved en neutral pH for typiske cellegeometrier og bufferkoncentrationer, som gør det muligt at bruge de fleste naturlige vandkilder til at lagre solenergi.

Da meget af den fremtidige efterspørgsel efter vedvarende energi forventes at komme fra lavindkomst, udviklingslande, muligheden for at bruge lokale naturlige vandkilder i stedet for rent vand til lagring af solenergi vil give en stor fordel for at implementere teknologien omkostningseffektivt og i stor skala. Forskerne planlægger at arbejde hen imod dette mål i fremtiden.

"Næste fase er prototyping, " sagde Nocera. "Vi bruger denne katalysator i forbindelse med CO ₂ og N ₂ fiksering af bakterier (papirer fra vores gruppe i Videnskab i 2016 og PNAS i 2017) for at fremstille flydende brændstoffer og gødning, vedvarende (kun ved brug af luft, vand, og sollys som input). Disse prototyper udvikles i øjeblikket i Indien på dette tidspunkt."

© 2017 Phys.org