Forskere adskiller vand effektivt med nye katalysatorer

Kemikere fra University of Oregon har opnået betydelige gevinster i at forbedre den katalytiske vanddissociationsreaktion i elektrokemiske reaktorer, kaldet bipolare membranelektrolysatorer, for mere effektivt at rive vandmolekyler fra hinanden til positivt ladede protoner og negativt ladede hydroxidioner.

Opdagelsen, offentliggjort online forud for tryk i tidsskriftet Videnskab , giver en køreplan for at realisere elektrokemiske enheder, der drager fordel af nøgleegenskaben ved bipolære membraners drift - at generere protoner og hydroxidioner inde i enheden og levere ionerne direkte til elektroderne for at producere de endelige kemiske produkter.

Teknologien bag bipolære membraner, som er lagdelte ionbytningspolymerer, der indlejrer et vanddissociationskatalysatorlag, opstod i 1950'erne. Mens de er blevet anvendt industrielt i lille skala, deres ydeevne er i øjeblikket begrænset til drift med lav strømtæthed, hvilket hæmmer bredere anvendelser.

Blandt dem er enheder til at producere brintgas fra vand og elektricitet, fange kuldioxid fra havvand, og lave kulstofbaserede brændstoffer direkte fra kuldioxid, sagde medforfatter Shannon W. Boettcher, professor i UOs afdeling for kemi og biokemi og grundlægger af Oregon Center for Elektrokemi,

"Jeg formoder, at vores fund vil fremskynde en genopblussen i udviklingen af ​​bipolare membranudstyr og forskning i grundlæggende elementer i vanddissociationsreaktionen, "sagde Boettcher, som også er medlem af Materials Science Institute og associeret i UO's Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

"Den præstation, vi demonstrerede, er tilstrækkelig høj, " sagde han. "Hvis vi kan forbedre holdbarheden og fremstille de bipolære membraner med vores industripartnere, der burde være vigtige øjeblikkelige ansøgninger."

Typisk, vandbaserede elektrokemiske enheder såsom batterier, brændselsceller og elektrolysatorer fungerer ved en enkelt pH i hele systemet - det vil sige systemet er enten surt eller basisk, sagde studiets hovedforfatter Sebastian Z. Oener, en postdoktor støttet af et tysk forskningsfonds stipendium i Boettchers laboratorium.

"Tit, dette fører enten til at bruge dyre ædle metaller til at katalysere elektrodereaktioner, såsom iridium, en af ​​de sjældneste metaller på jorden, eller ofre katalysatoraktivitet, hvilken, på tur, øger den nødvendige energiindgang i den elektrokemiske reaktor, " sagde Oener. "En bipolær membran kan overvinde denne afvejning ved at betjene hver elektrokatalysator lokalt i dets ideelle pH-miljø. Dette øger staldens ånde, jord-rigelig katalysator tilgængelighed for hver halvreaktion. "

Teamet på tre medlemmer, som også omfattede kandidatstuderende Marc J. Foster, brugte en membran-elektrode-samling, hvor polymer bipolar membran komprimeres mellem to stive porøse elektroder. Denne fremgangsmåde tillod dem at lave et stort antal bipolære membraner med forskellige vanddissociationskatalysatorlag og nøjagtigt måle aktiviteten for hver.

Holdet fandt ud af, at den nøjagtige position af hvert katalysatorlag inde i den bipolære membranforbindelse - grænsefladen mellem et hydroxidledende lag og det protonledende lag i den bipolære membran - påvirker katalysatoraktiviteten dramatisk. Dette tillod dem at bruge katalysator-dobbeltlag til at realisere rekordpresterende bipolare membraner, der i det væsentlige dissocierer vand med ubetydelig tabt ekstra energiindgang.

"Den største overraskelse var erkendelsen af, at ydeevnen kunne forbedres væsentligt ved at lægge forskellige typer katalysatorer oven på hinanden, "Boettcher sagde." Dette er enkelt, men var ikke blevet undersøgt fuldt ud. "

Et andet nøglefund, Oener sagde, er, at vanddissociationsreaktionen, der forekommer inde i den bipolære membran, er grundlæggende relateret til den, der forekommer på elektrokatalysatoroverflader, som når protoner udvindes direkte fra vandmolekyler, når man laver brintbrændstof under basale pH-forhold.

"Dette er unikt, fordi det ikke før har været muligt at adskille de individuelle trin, der opstår under en elektrokemisk reaktion, "Sagde Oener." De er alle forbundet, involverer elektroner og mellemprodukter, og hurtigt gå i serie. Den bipolære membranarkitektur giver os mulighed for at isolere vanddissociationens kemiske trin og studere det isoleret. "

Det fund, han sagde, også kunne føre til forbedrede elektrokatalysatorer til reaktioner, der direkte laver reducerede brændstoffer fra vand, såsom at lave brintgas eller flydende brændstof ud fra affaldet kuldioxid.

Opdagelserne, Boettcher sagde, give en foreløbig mekanistisk model, en, der kunne åbne feltet og motivere til mange flere undersøgelser.

"Vi er begejstrede for at se forskningssamfundets reaktion og se, om disse fund kan oversættes til produkter, der reducerer samfundets afhængighed af fossile brændstoffer, " han sagde.