Teamet skaber kort til produktion af miljøvenlige metaller

I arbejde, der kunne indlede mere effektive, miljøvenlige processer til produktion af vigtige metaller som lithium, jern og kobolt, har forskere fra MIT og SLAC kortlagt, hvad der sker på atomniveau bag en særligt lovende tilgang kaldet metalelektrolyse.

Ved at lave kort for en lang række metaller bestemte de ikke kun, hvilke metaller der skulle være nemmest at fremstille ved hjælp af denne tilgang, men identificerede også grundlæggende barrierer bag andres effektive produktion. Som følge heraf kan forskernes kort blive et vigtigt designværktøj til at optimere produktionen af ​​alle disse metaller.

Arbejdet kunne også hjælpe med udviklingen af ​​metal-luft-batterier, fætre til lithium-ion-batterier, der bruges i nutidens elektriske køretøjer.

De fleste af de metaller, der er nøglen til samfundet i dag, er produceret ved hjælp af fossile brændstoffer. Disse brændstoffer genererer de høje temperaturer, der er nødvendige for at omdanne den originale malm til dets rensede metal. Men den proces er en betydelig kilde til drivhusgasser - stål alene tegner sig for omkring syv procent af kuldioxidemissionerne globalt. Som et resultat arbejder forskere fra hele verden på at identificere mere miljøvenlige måder til fremstilling af metaller.

En lovende tilgang er metalelektrolyse, hvor et metaloxid, malmen, er zappet med elektricitet for at skabe rent metal med ilt som biprodukt. Det er reaktionen udforsket på atomniveau i den aktuelle forskning, som er rapporteret i 8. april 2022-udgaven af ​​tidsskriftet Chemistry of Materials .

Donald Siegel er afdelingsformand og professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin. Siger Siegel, som ikke var involveret i Materialerkemi undersøgelse:"Dette arbejde er et vigtigt bidrag til at forbedre effektiviteten af ​​metalproduktion fra metaloxider. Det tydeliggør vores forståelse af kulstoffattige elektrolyseprocesser ved at spore den underliggende termodynamik tilbage til elementære metal-ilt-interaktioner. Jeg forventer, at dette arbejde vil hjælpe i skabelsen af ​​designregler, der vil gøre disse industrielt vigtige processer mindre afhængige af fossile brændstoffer."

Yang Shao-Horn, JR East Professor of Engineering i MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE) og MIT's Department of Mechanical Engineering, er leder af det nuværende arbejde med Michal Bajdich fra SLAC National Accelerator Laboratory i Californien.

"Her sigter vi på at etablere en grundlæggende forståelse for at forudsige effektiviteten af ​​elektrokemisk metalproduktion og metal-luft-batterier ud fra at undersøge beregnede termodynamiske barrierer for omdannelsen mellem metal- og metaloxider," siger Shao-Horn, der er på forskerholdet for MIT's nye center for elektrificering og dekarbonisering af industrien, en vinder af instituttets første Climate Grand Challenges-konkurrence nogensinde. Shao-Horn er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory og Research Laboratory of Electronics.

Ud over Shao-Horn og Bajdich er andre forfattere af Chemistry of Materials papiret Jaclyn R. Lunger, førsteforfatter og en DMSE-kandidatstuderende, og Naomi Lutz og Jiayu Peng. Lutz modtog sin bachelorgrad fra MIT i maskinteknik i 2022. Peng er en DMSE kandidatstuderende.

Andre applikationer

Arbejdet kunne også hjælpe med udviklingen af ​​metal-luft-batterier såsom lithium-luft-, aluminium-luft- og zink-luft-batterier. Disse fætre til lithium-ion-batterierne, der bruges i nutidens elektriske køretøjer, har potentialet til at elektrificere luftfarten, fordi deres energitætheder er meget højere. De er dog endnu ikke på markedet på grund af en række problemer, herunder ineffektivitet.

Opladning af metal-luft-batterier involverer også elektrolyse. Som følge heraf kunne den nye forståelse af disse reaktioner på atomniveau ikke kun hjælpe ingeniører med at udvikle effektive elektrokemiske ruter til metalproduktion, men også designe mere effektive metal-luft-batterier.

Lær af vandopdeling

Elektrolyse bruges også til at spalte vand i ilt og brint, som lagrer den resulterende energi. At brint til gengæld kunne blive et miljøvenligt alternativ til fossile brændstoffer. Da der er meget mere kendt om vandelektrolyse, fokus for Bajdichs arbejde hos SLAC, end elektrolyse af metaloxider, sammenlignede holdet de to processer for første gang.

Resultatet:"Langsomt afslørede vi de elementære trin involveret i metalelektrolyse," siger Bajdich. Arbejdet var udfordrende, siger Lunger, fordi "det var uklart for os, hvad disse trin er. Vi skulle finde ud af, hvordan vi kom fra A til B," eller fra et metaloxid til metal og oxygen.

Alt arbejdet blev udført med supercomputersimuleringer. "Det er ligesom en sandkasse af atomer, og så leger vi med dem. Det er lidt ligesom Legos," siger Bajdich. Mere specifikt udforskede holdet forskellige scenarier for elektrolyse af flere metaller. Hver involverede forskellige katalysatorer, molekyler, der øger hastigheden af ​​en reaktion.

Siger Lunger:"For at optimere reaktionen vil du gerne finde den katalysator, der gør den mest effektiv." Holdets kort er i bund og grund en guide til at designe de bedste katalysatorer til hvert forskelligt metal.

Hvad er det næste? Lunger bemærkede, at det nuværende arbejde fokuserede på elektrolyse af rene metaller. "Jeg er interesseret i at se, hvad der sker i mere komplekse systemer, der involverer flere metaller. Kan du gøre reaktionen mere effektiv, hvis der er natrium og lithium til stede, eller cadmium og cæsium?" + Udforsk yderligere

En ny, billig katalysator fremskynder produktionen af ​​ilt fra vand