Forskere tager et vigtigt skridt mod renere, mere bæredygtig produktion af brint

Effektivt masseproducerende brint fra vand er tættere på at blive en realitet takket være Oregon State University College of Engineering forskere og samarbejdspartnere ved Cornell University og Argonne National Laboratory.

Forskerne brugte avancerede eksperimentelle værktøjer til at skabe en klarere forståelse af en elektrokemisk katalytisk proces, der er renere og mere bæredygtig end at udlede brint fra naturgas.

Fund blev offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt .

Hydrogen findes i en lang række forbindelser på jorden, oftest kombineret med ilt for at lave vand, og den har mange videnskabelige, industrielle og energirelaterede roller. Det forekommer også i form af kulbrinter, forbindelser bestående af hydrogen og carbon, såsom metan, den primære komponent i naturgas.

"Produktionen af ​​brint er vigtig for mange aspekter af vores liv, såsom brændselsceller til biler og fremstilling af mange nyttige kemikalier såsom ammoniak, "sagde Oregon State's Zhenxing Feng, en kemiteknisk professor, der ledede undersøgelsen. "Det bruges også til raffinering af metaller, til fremstilling af menneskeskabte materialer såsom plast og til en række andre formål. "

Ifølge Energiministeriet, USA producerer det meste af sit brint fra en metankilde som naturgas via en teknik kendt som damp-metanreformering. Processen indebærer, at metan udsættes for damp under tryk i nærvær af en katalysator, skabe en reaktion, der producerer hydrogen og kulilte, samt en lille mængde kuldioxid.

Det næste trin omtales som vand-gasforskydningsreaktionen, hvor kulilte og damp reageres via en anden katalysator, fremstilling af kuldioxid og yderligere brint. I det sidste trin, adsorption med tryk-svingning, kuldioxid og andre urenheder fjernes, efterlader rent hydrogen.

"Sammenlignet med reform af naturgas, brugen af ​​elektricitet fra vedvarende kilder til spaltning af vand til brint er renere og mere bæredygtig, "Sagde Feng." Dog, effektiviteten af ​​vandspaltning er lav, hovedsagelig på grund af den høje overpotentiale-forskellen mellem det faktiske potentiale og det teoretiske potentiale ved en elektrokemisk reaktion-af en central halvreaktion i processen, oxygenudviklingsreaktionen eller OER. "

En halvreaktion er en af ​​de to dele af en redox, eller reduktion-oxidation, reaktion, hvor elektroner overføres mellem to reaktanter; reduktion refererer til at få elektroner, oxidation betyder at miste elektroner.

Begrebet halvreaktioner bruges ofte til at beskrive, hvad der foregår i en elektrokemisk celle, og halvreaktioner bruges almindeligvis som en måde at afbalancere redoxreaktioner på. Overpotentiale er margenen mellem den teoretiske spænding og den faktiske spænding, der er nødvendig for at forårsage elektrolyse - en kemisk reaktion drevet af tilførsel af elektrisk strøm.

"Elektrokatalysatorer er kritiske for at fremme vandspaltningsreaktionen ved at sænke overpotentialet, men at udvikle højtydende elektrokatalysatorer er langt fra ligetil, "Feng sagde." En af de store forhindringer er manglen på information om elektrokatalysatorers struktur under de elektrokemiske operationer. At forstå den strukturelle og kemiske udvikling af elektrokatalysatoren under OER er afgørende for at udvikle elektrokatalysatormaterialer af høj kvalitet og, på tur, energibæredygtighed. "

Feng og samarbejdspartnere brugte et sæt avancerede karakteriseringsværktøjer til at studere den atomare strukturelle udvikling af en topmoderne OER-elektrokatalysator, strontium iridat (SrIrO ₃ ), i sur elektrolyt.

"Vi ville forstå oprindelsen til dets rekordhøje aktivitet for OER-1, 000 gange højere end den almindelige kommercielle katalysator, iridiumoxid, "Feng sagde." Ved hjælp af synkrotronbaserede røntgenfaciliteter i Argonne og laboratoriebaseret røntgenfotoelektronspektroskopi på Northwest Nanotechnology Infrastructure-stedet på OSU, vi observerede overfladekemisk og krystallinsk-til-amorf transformation af SrIrO ₃ under OER. "

Observationerne førte til en dyb forståelse af, hvad der foregik bag strontium iridates evne til at fungere så godt som en katalysator.

"Vores detaljerede, atomskala-fund forklarer, hvordan det aktive strontium-iridatlag dannes på strontium-iridat og peger på den afgørende rolle, gitterets iltaktivering og koblet ionisk diffusion spiller på dannelsen af ​​de aktive OER-enheder, " han sagde.

Feng tilføjede, at arbejdet giver indsigt i, hvordan anvendt potentiale letter dannelsen af ​​de funktionelle amorfe lag ved den elektrokemiske grænseflade og fører til muligheder for design af bedre katalysatorer.