Forskningsgennembrud kan transformere ren energiteknologi

Efter nogle skøn, mængden af ​​solenergi, der når jordens overflade på et år, er større end summen af ​​al den energi, vi nogensinde kunne producere ved hjælp af ikke-vedvarende ressourcer. Den nødvendige teknologi til at omdanne sollys til elektricitet har udviklet sig hurtigt, men ineffektivitet i opbevaring og distribution af denne strøm er fortsat et betydeligt problem, gør solenergi upraktisk i stor skala. Imidlertid, et gennembrud af forskere ved UVA's College og Graduate School of Arts &Sciences, California Institute of Technology og det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory og Brookhaven National Laboratory kunne fjerne en kritisk hindring fra processen, en opdagelse, der repræsenterer et kæmpe skridt mod en ren energi fremtid.

En måde at udnytte solenergi på er ved at bruge solenergi til at opdele vandmolekyler i ilt og brint. Brinten produceret af processen lagres som brændstof, i en form, der kan overføres fra et sted til et andet og bruges til at generere strøm efter behov. At opdele vandmolekyler i deres bestanddele, en katalysator er nødvendig, men de katalytiske materialer, der i øjeblikket anvendes i processen, også kendt som oxygenudviklingsreaktionen, ikke er effektive nok til at gøre processen praktisk.

Ved at bruge en innovativ kemisk strategi udviklet på UVA, imidlertid, et team af forskere ledet af kemiprofessorerne Sen Zhang og T. Brent Gunnoe har fremstillet en ny form for katalysator ved hjælp af grundstofferne kobolt og titanium. Fordelen ved disse elementer er, at de er meget mere rigelige i naturen end andre almindeligt anvendte katalytiske materialer, der indeholder ædle metaller såsom iridium eller ruthenium.

"Den nye proces involverer at skabe aktive katalytiske steder på atomniveau på overfladen af ​​titaniumoxid nanokrystaller, en teknik, der producerer et holdbart katalytisk materiale og en, der er bedre til at udløse oxygenudviklingsreaktionen." Zhang sagde. "Nye tilgange til effektive oxygenudviklingsreaktionskatalysatorer og forbedret grundlæggende forståelse af dem er nøglen til at muliggøre en mulig overgang til skaleret brug af vedvarende solenergi. Dette arbejde er et perfekt eksempel på, hvordan man optimerer katalysatoreffektiviteten for ren energiteknologi ved at indstille nanomaterialer i atomskala. "

Ifølge Gunnoe, "Denne innovation, centreret om resultater fra Zhang-laboratoriet, repræsenterer en ny metode til at forbedre og forstå katalytiske materialer med en deraf følgende indsats, der involverer integration af avanceret materialesyntese, atomare niveau karakterisering og kvantemekanik teori."

"For flere år siden, UVA sluttede sig til MAXNET Energy-konsortiet, består af otte Max Planck-institutter (Tyskland), UVA og Cardiff University (UK), som samlede internationale samarbejdsbestræbelser fokuseret på elektrokatalytisk vandoxidation. MAXNET Energy var kimen til den nuværende fælles indsats mellem min gruppe og Zhang-laboratoriet, som har været og fortsat er et frugtbart og produktivt samarbejde, " sagde Gunnoe.

Med hjælp fra Argonne National Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory og deres avancerede synkrotron røntgenabsorptionsspektroskopi brugerfaciliteter, som bruger stråling til at undersøge stofets struktur på atomniveau, forskerholdet fandt ud af, at katalysatoren har en veldefineret overfladestruktur, der gør det muligt for dem tydeligt at se, hvordan katalysatoren udvikler sig i mellemtiden af ​​iltudviklingsreaktionen og giver dem mulighed for nøjagtigt at evaluere dens ydeevne.

"Værket brugte røntgenstrålelinjer fra den avancerede fotonkilde og den avancerede lyskilde, herunder en del af et 'hurtig adgang'-program, der er afsat til en hurtig feedback-loop for at udforske nye eller presserende videnskabelige ideer, " sagde Argonne røntgenfysiker Hua Zhou, en medforfatter på papiret. "Vi er meget begejstrede for, at begge nationale videnskabelige brugerfaciliteter kan bidrage væsentligt til et så smart og pænt arbejde med vandopdeling, som vil give et spring fremad for rene energiteknologier."

Både den avancerede fotonkilde og den avancerede lyskilde er US Department of Energy (DOE) Office of Science -brugerfaciliteter placeret på DOE's Argonne National Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory, henholdsvis.

Derudover forskere ved Caltech, ved hjælp af nyudviklede kvantemekaniske metoder var i stand til nøjagtigt at forudsige hastigheden af ​​iltproduktion forårsaget af katalysatoren, hvilket gav holdet en detaljeret forståelse af reaktionens kemiske mekanisme.

"Vi har udviklet nye kvantemekaniske teknikker til at forstå iltudviklingsreaktionsmekanismen i mere end fem år, men i alle tidligere undersøgelser, vi kunne ikke være sikre på den nøjagtige katalysatorstruktur. Zhangs katalysator har en veldefineret atomstruktur, og vi finder ud af, at vores teoretiske output er, i det væsentlige, i nøjagtig overensstemmelse med eksperimentelle observerbare, " sagde William A. Goddard III, professor i kemi, materialevidenskab, og anvendt fysik hos Caltech og en af ​​projektets hovedforskere. "Dette giver den første stærke eksperimentelle validering af vores nye teoretiske metoder, som vi nu kan bruge til at forudsige endnu bedre katalysatorer, der kan syntetiseres og testes. Dette er en vigtig milepæl i retning af global ren energi. "

"Dette arbejde er et godt eksempel på UVA's og andre forskeres teamindsats for at arbejde hen imod ren energi og de spændende opdagelser, der kommer fra disse tværfaglige samarbejder, " sagde Jill Venton, formand for UVAs Institut for Kemi.