Nanoskalabelægninger forbedrer stabiliteten og effektiviteten af ​​enheder til vedvarende brændstofproduktion

(Phys.org) —Spaltning af vand i dets komponenter, to dele brint og en del oxygen, er et vigtigt første skridt i at opnå CO2-neutrale brændstoffer til at drive vores transportinfrastruktur – herunder biler og fly.

Nu, North Carolina State University-forskere og kolleger fra University of North Carolina i Chapel Hill har vist, at en specialiseret belægningsteknik kan gøre visse vandopdelingsanordninger mere stabile og mere effektive. Deres resultater er offentliggjort online i denne uge i to separate artikler i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Aflejring af atomlag, eller "ALD, " belægger tredimensionelle strukturer med en præcis, ultra-tyndt lag materiale. "En ALD-coating er ligesom chokoladeglasuren på ydersiden af ​​en Klondike-bar – bare meget, meget tyndere, " forklarer Dr. Mark Losego, forskningsassistent professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State og medforfatter på arbejdet. "I dette tilfælde, lagene er mindre end en nanometer tykke - eller næsten en million gange tyndere end et menneskehår."

Selvom det er ekstremt tyndt, disse belægninger forbedrer vedhæftningen og ydeevnen af ​​overfladebundne molekylære katalysatorer, der anvendes til vandspaltningsreaktioner i hydrogenbrændstofproducerende anordninger.

I det første papir, "Solvand spalter i en molekylær fotoelektrokemisk celle, " forskerne brugte ALD-belægninger på nanostrukturerede vandopdelingsceller for at forbedre effektiviteten af ​​den elektriske strømstrøm fra den molekylære katalysator til enheden. Resultaterne forbedrede betydeligt brintgenereringskapaciteten af ​​disse molekylærbaserede solceller, der spalter vand.

I det andet papir, "At krydse skellet mellem homogen og heterogen katalyse i vandoxidation, " brugte forskerne ALD til at "lime" molekylære katalysatorer til overfladen af ​​vandsplittende elektroder for at gøre dem mere uigennemtrængelige for løsrivelse i ikke-sure vandopløsninger. Denne forbedrede stabilitet ved høj pH muliggjorde en ny kemisk vej til vandspaltning, som er en million gange hurtigere end ruten, der tidligere var blevet identificeret i sur, eller lav pH, miljøer. Disse resultater kan have betydning for stabilisering af en række andre molekylære katalysatorer for andre vedvarende energiveje, herunder omdannelse af kuldioxid til kulbrintebrændstoffer.

"I disse rapporter, vi har vist, at nanoskalabelægninger påført af ALD kan tjene flere formål inden for vandspaltningsteknologi, herunder øget brintproduktionseffektivitet og forlængelse af enhedens levetid, " sagde Losego. "I fremtiden, vi vil gerne bygge enheder, der integrerer begge disse fordele og bevæger os mod andre brændstoffer af interesse, inklusive methanolproduktion."