Opdeling af vandmolekyler til en fremtid med vedvarende energi

Den fremtidige økonomi baseret på vedvarende og bæredygtige energikilder kan bruge batteridrevne biler, store sol- og vindmølleparker, og energireserver lagret i batterier og kemiske brændstoffer. Selvom der allerede findes eksempler på bæredygtige energikilder, videnskabelige og tekniske gennembrud vil bestemme tidslinjen for udbredt adoption.

Et foreslået paradigme for at skifte væk fra fossile brændstoffer er brintøkonomien, hvor hydrogengas driver samfundets elektriske behov. Til masseproduktion af hydrogengas, nogle forskere studerer processen med at splitte vand - to brintatomer og et iltatom - hvilket ville resultere i brintbrændstof og åndbar iltgas.

Feng Lin, en adjunkt i kemi ved Virginia Tech College of Science, fokuserer på energilagring og konverteringsforskning. Dette arbejde er en del af en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkatalyse der løser en nøgle, grundlæggende barriere i den elektrokemiske vandopdelingsproces, hvor Lin Lab demonstrerer en ny teknik til at samle igen, genoplive, og genbruge en katalysator, der giver mulighed for energieffektiv spaltning af vand. Chunguang Kuai, en tidligere kandidatstuderende ved Lin's, er første forfatter af undersøgelsen med Lin og medforfattere kemi kandidatstuderende Zhengrui Xu, Anyang Hu, og Zhijie Yang.

Kernen i denne undersøgelse går tilbage til et emne i generelle kemiklasser:katalysatorer. Disse stoffer øger reaktionshastigheden uden at blive forbrugt i den kemiske proces. En måde en katalysator øger reaktionshastigheden på, er ved at reducere mængden af ​​energi, der er nødvendig for, at reaktionen kan begynde.

Vand kan virke grundlæggende som et molekyle, der består af kun tre atomer, men opdelingsprocessen er ret vanskelig. Men Lins laboratorium har gjort det. Selv at flytte en elektron fra et stabilt atom kan være energikrævende, men denne reaktion kræver overførsel af fire for at oxidere ilt for at producere iltgas.

"I en elektrokemisk celle, fire-elektron overførselsprocessen vil gøre reaktionen ganske træg, og vi skal have et højere elektrokemisk niveau for at få det til at ske, "Lin sagde." Med en højere energi nødvendig for at splitte vand, den langsigtede effektivitet og katalysatorstabilitet bliver vigtige udfordringer. "

For at opfylde det høje energibehov, Lin Lab introducerer en fælles katalysator kaldet blandet nikkeljernhydroxid (MNF) for at sænke tærsklen. Vandsplittende reaktioner med MNF fungerer godt, men på grund af den høje reaktivitet af MNF, den har en kort levetid, og den katalytiske ydelse falder hurtigt.

Lin og hans team opdagede en ny teknik, der ville muliggøre periodisk genmontering til MNF's oprindelige tilstand, således at processen med at splitte vand kan fortsætte. (Holdet brugte ferskvand i deres eksperimenter, men Lin foreslår saltvand - den mest rigelige form for vand på Jorden - kunne også fungere.)

MNF har en lang historie med energistudier. Da Thomas Edison pillede med batterier for mere end et århundrede siden, han brugte også de samme nikkel- og jernelementer i nikkelhydroxidbaserede batterier. Edison observerede dannelsen af ​​iltgas i sine nikkelhydroxidforsøg, hvilket er dårligt for et batteri, men i tilfælde af spaltning af vand, produktion af iltgas er målet.

"Forskere har længe indset, at tilsætning af jern til nikkelhydroxidgitteret er nøglen til reaktivitetsforbedring af vandspaltning." Sagde Kuai. "Men under de katalytiske forhold, strukturen af ​​den forhåndsdesignede MNF er meget dynamisk på grund af det meget ætsende miljø i den elektrolytiske opløsning. "

Under Lins forsøg, MNF nedbrydes fra en fast form til metalioner i den elektrolytiske opløsning - en vigtig begrænsning for denne proces. Men Lins team observerede, at når den elektrokemiske celle vender fra højden, elektrokatalytisk potentiale til et lavt, reducere potentialet, bare i en periode på to minutter, de opløste metalioner samles igen til den ideelle MNF -katalysator. Dette sker på grund af en vending af pH -gradienten inden for grænsefladen mellem katalysatoren og den elektrolytiske opløsning.

"I løbet af det lave potentiale i to minutter, vi demonstrerede, at vi ikke kun får nikkel- og jernioner deponeret tilbage i elektroden, men at blande dem meget godt sammen og skabe meget aktive katalytiske steder, "Sagde Lin." Det er virkelig spændende, fordi vi genopbygger de katalytiske materialer i atomslængden inden for et par nanometer elektrokemiske grænseflader. "

En anden grund til, at reformationen fungerer så godt, er, at Lin Lab syntetiserede nyt MNF som tynde plader, der er lettere at samle end et massemateriale.

Validering af fund gennem røntgenstråler

For at bekræfte disse fund, Lins team udførte synkrotron røntgenmålinger ved Advanced Photon Source i Argonne National Laboratory og ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource af SLAC National Accelerator Laboratory. Disse målinger bruger den samme grundlæggende forudsætning som det almindelige hospitalsrøntgen, men i meget større skala.

"Vi ville observere, hvad der var sket under hele denne proces, "Kuai sagde." Vi kan bruge røntgenbillede til bogstaveligt talt at se opløsningen og omlejringen af ​​disse metaljern for at give et grundlæggende billede af de kemiske reaktioner. "

Synkrotronfaciliteter kræver en massiv sløjfe, ligner størrelsen på Drillfield ved Virginia Tech, der kan udføre røntgenspektroskopi og billeddannelse ved høje hastigheder. Dette giver Lin høje niveauer af data under de katalytiske driftsbetingelser. Undersøgelsen giver også indsigt i en række andre vigtige elektrokemiske energividenskaber, såsom kvælstofreduktion, reduktion af kuldioxid, og zink-luft batterier.

"Ud over billeddannelse, talrige røntgenspektroskopiske målinger har givet os mulighed for at studere, hvordan individuelle metalioner kommer sammen og danner klynger med forskellige kemiske sammensætninger, "Sagde Lin." Dette har virkelig åbnet døren for sondering af elektrokemiske reaktioner i virkelige kemiske reaktionsmiljøer. "