Forskere finder selvhelbredende katalysator til potentiel storstilet brug i brintproduktion

Forskere, der arbejder inden for NCCR MARVEL, har opdaget en selvhelbredende katalysator, der kan bruges til at frigive brint gennem den hydrolytiske dehydrogenering af ammoniakboran. Katalysatoren, SION-X, er baseret på det rigelige mineral Jacquesdietrichite, er bæredygtig, luftstabil og kan let regenereres, opbevares og håndteres. Disse egenskaber betyder, at det kan give betydelige fordele i forhold til eksisterende katalysatorer, der anvendes til fremstilling af den rene og vedvarende energibærer brint. Forskningen er blevet offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A .

Brint (H ₂ ) er en ren og vedvarende energibærer og anses for at være en ideel kandidat til fremtidige mobile og stationære applikationer. Anvendelse i stor skala kræver sikker og effektiv opbevaring og frigivelse af H ₂ , imidlertid, og dette er fortsat en udfordring på trods af undersøgelser af flere systemer til brintlagring.

I de seneste år, noget forskning har fokuseret på bor-nitrogen-baserede (B-N) hydridforbindelser, fordi de er i stand til at lagre og frigive betydelige mængder H ₂ . Af forbindelserne, den enkleste, ammoniakboran (AB), er særligt lovende, fordi den ikke lider af selvhydrolyse i vand, den har et højt H ₂ indhold, lav molekylvægt, er ikke-giftig og har særlig høj stabilitet i både vandige opløsninger og luft - det har et stort potentiale for anvendelser ombord inden for transport.

Hydrolyse ved stuetemperatur har vist sig at være den mest gunstige og effektive metode til at frigive brint fra AB, hvilket forhindrer brugen af ​​forhøjede temperaturer eller andre giftige og dyre opløsningsmidler. En katalysator er dog ofte nødvendig for at drive hydrolysen af ​​AB. Og mens der findes en række katalysatorer, der er i stand til effektivt at frigive brint fra AB, de lider af en række ulemper. Dem baseret på ædelmetaller er dyre, ikke-bæredygtige, og upraktisk til store applikationer. Ikke-ædelmetalkatalysatorer er luftfølsomme og kan let oxideres og kræver derfor særlig håndtering og opbevaring, og kan være svære at regenerere. Oven på det, Den katalytiske aktivitet er delvist nedsat eller endda fuldstændig deaktiveret efter få cyklusser af reaktionen, som, for eksempel, i tilfælde af jordrige overgangsmetaller.

Disse ulemper motiverede forskerne, ledet af Dr. Kyriakos C. Stylianou fra EPFL og NCCR MARVEL, at forsøge at finde bedre katalysatorer. Ideelle kandidater bør være baseret på rigelige elementer, luft stabil, og let regenereret, opbevares og håndteres. Af alle disse stærke sider, forskerne overvejede regenerering, eller selvhelbredelse – katalysatorens evne til spontant at reparere sig selv under normale operationer – for at være den mest attraktive. Ja, det er afgørende for praktiske anvendelser, fordi katalysatorens stabilitet er direkte forbundet med dens økonomiske levedygtighed.

Deres roman, selvhelbredende bæredygtig katalysator, beskrevet i papiret Discovery of a Self-healing Catalyst for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Boran, synes at passe regningen. Katalysatoren, døbt SION-X, er den syntetiske form af Jacquesdietrichite (Cu ₂ [(BO)(OH)2](OH) ₃ ), et mineral, der først blev fundet i Tachgagalt-minen i Marokko i 1999. Forskerne opnåede det først som et blåt pulver efter at have udsat resten af ​​reaktionen mellem en kobberbaseret metal-organisk ramme (MOF) og AB for fri luft. Da de brugte SION-X i hydrolysen af ​​AB, de opnåede mere end 90% omdannelse af H ₂ på cirka 45 minutter. Under processen, det omdannet til kobber(0) nanopartikler. Når reaktionsblandingen derefter blev udsat for luft, det blå pulver af SION-X blev selvhelende og omdannet fra kobber(0) nanopartikler. De var i stand til at udføre 10 cyklusser af katalyse-regenerering, mens aktiviteten af ​​SION-X forblev uændret.

Denne selvhelbredende proces, hvor katalysatoren genoprettede sin strukturelle integritet i fri luft uden at tilføre varme, tryk eller elektrisk forspænding, er enormt vigtig for at forlænge katalysatorens levetid og gør SION-X til en god kandidat til brug i storskala hydrolytisk dehydrogenering af AB.

"Den selvhelbredende katalyse af SION-X i fravær af ekstra energitilførsel giver et nyt perspektiv i heterogen katalyse til energirelaterede applikationer, " sagde forskerne.