Udfordringer i udviklingen af ​​elektrokatalysatorer

Regenerativ energihøst genererer ofte mere elektricitet, end der er behov for direkte. Elektrokemiske processer kunne bruges til at lagre den overskydende energi eller gøre den brugbar. Selvom intensiv forskning i de nødvendige katalysatorer har stået på i 20 år, fremskridt sker kun i små trin. Hvad skal ændres i forskningen for at udvikle effektive, stabile og selektive katalysatorer til industriel anvendelse er beskrevet af Dr. Justus Masa fra Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Professor Corina Andronescu fra University of Duisburg-Essen og professor Wolfgang Schuhmann fra Ruhr-Universität Bochum i en oversigtsartikel. Det blev offentliggjort online i tidsskriftet Angewandte Chemie den 30. juni 2020.

Kemiske reaktioner til energiomdannelse

Tre kemiske reaktioner ville være særligt velegnede til energiomdannelse:elektrolyse af vand til brint og oxygen, som senere kan bruges til at generere elektrisk energi i brændselsceller; omdannelse af nitrogen til ammoniak, et vigtigt udgangsmateriale til den kemiske industri; og den elektrokemiske omdannelse af CO ₂ til andre udgangsmaterialer til industrien, såsom ethylen.

Aktivitet, selektivitet og stabilitet af katalysatorer

I deres anmeldelseartikel, forfatterne beskriver, at forskning om nye katalysatorer altid skal huske på tre faktorer:aktivitet, selektivitet og stabilitet. Aktivitet beskriver, hvor kraftig en katalysator er ved en given energitilførsel. Selektivitet defineres som evnen til at producere det ønskede stof uden at forurene biprodukter. Stabiliteten indikerer, hvor effektiv en katalysator er i det lange løb.

"Mange publikationer hævder høj aktivitet, stabilitet og selektivitet af elektrokatalysatorer til vigtige energiomdannelsesreaktioner, men der mangler beviser, "siger Wolfgang Schuhmann, leder af Center for Elektrokemi og medlem af Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence, Løsning.

Gab mellem grundforskning og anvendelse

Masa, Andronescu og Schuhmann kritiserer, blandt andet, at der ofte ikke lægges tilstrækkelig vægt på katalysatorernes stabilitet. "Undervurderingen af ​​katalysatorstabilitet er i høj grad ansvarlig for den enorme kløft mellem tilsyneladende spændende gennembrud i designet af aktive katalysatorer og den praktiske implementering af sådanne katalysatorer i tekniske applikationer, " de skriver.

Teamet identificerer fem faktorer, der forhindrer skridtet fra forskning til praksis:

• Katalysatorers ydeevne og materialegenskaber under anvendelsesrelevante betingelser adskiller sig fra dem under laboratorieforhold.
• Der er ingen definerede retningslinjer for vurdering og sammenligning af katalysatorers ydeevne.
• Uegnede karakteriseringsmetoder bruges ofte til at bestemme ydeevnen af ​​elektrokatalytiske reaktioner.
• For lidt vides om katalysatorernes aktive centre og deres langsigtede stabilitet. For eksempel, påvirkninger af de omgivende opløsningsmiddelmolekyler og ioner på funktionen negligeres.
• For at bestemme aktiviteten af ​​en katalysator, dens faktiske overfladeareal skal være kendt. Nanopartikelensembler bruges ofte som katalysatorer, for hvilke konventionelle metoder til overfladebestemmelse ikke er egnede.

I deres artikel, Justus Masa, Corina Andronescu og Wolfgang Schuhmann bruger eksperimentelle resultater til at demonstrere, hvor vigtigt det er altid at tænke på stabiliteten af ​​katalysatorer på en integreret måde med deres aktivitet. De foreslår forskellige metoder til pålidelig måling af aktiviteten og henviser til nanoelektrokemi. Hvis nanopartikelensembler bruges som katalysatorer, individuelle nanopartikler bør karakteriseres, ikke partikelensembler, da der ellers vil opstå interferens. Endelig, forfatterne opfordrer til et paradigmeskift i katalysatordesign. De lister lovende tilgange, der kunne producere de ønskede produkter på en meget selektiv måde.