Nyt nanomateriale hjælper med at få brint fra en flydende energibærer, i et vigtigt skridt mod en stabil og ren brændstofkilde

Brint er en bæredygtig kilde til ren energi, der undgår giftige emissioner og kan tilføje værdi til flere sektorer i økonomien, herunder transport, elproduktion, metalfremstilling, blandt andre. Teknologier til lagring og transport af brint bygger bro mellem bæredygtig energiproduktion og brændstofforbrug, og er derfor en væsentlig komponent i en levedygtig brintøkonomi. Men traditionelle midler til opbevaring og transport er dyre og modtagelige for forurening. Som resultat, forskere søger efter alternative teknikker, der er pålidelige, billig og enkel. Mere effektive brintleveringssystemer ville gavne mange applikationer, såsom stationær strøm, bærbar strøm, og mobile køretøjsindustrier.

Nu, som rapporteret i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , forskere har designet og syntetiseret et effektivt materiale til at fremskynde et af de begrænsende trin i udvinding af brint fra alkoholer. Materialet, en katalysator, er lavet af bittesmå klynger af nikkelmetal forankret på et 2D-substrat. Holdet ledet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory's (Berkeley Lab) Molecular Foundry fandt ud af, at katalysatoren rent og effektivt kunne accelerere reaktionen, der fjerner brintatomer fra en flydende kemisk bærer. Materialet er robust og lavet af jordrige metaller i stedet for eksisterende muligheder lavet af ædle metaller, og vil hjælpe med at gøre brint til en levedygtig energikilde til en lang række anvendelser.

"Vi præsenterer her ikke kun en katalysator med højere aktivitet end andre nikkelkatalysatorer, som vi testede, for et vigtigt brændstof for vedvarende energi, men også en bredere strategi mod at bruge metaller til overkommelige priser i en bred vifte af reaktioner, " sagde Jeff Urban, direktøren for Inorganic Nanostructures Facility hos Molecular Foundry, der ledede arbejdet. Forskningen er en del af Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), et konsortium finansieret af U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE). Gennem denne indsats, fem nationale laboratorier arbejder hen imod målet om at løse de videnskabelige huller, der blokerer for udviklingen af ​​materialer til opbevaring af fast brint. Output fra dette arbejde vil direkte indgå i EEREs H2@Scale-vision for billig brintproduktion, opbevaring, distribution og udnyttelse på tværs af flere sektorer i økonomien.

Kemiske forbindelser, der fungerer som katalysatorer som den, der er udviklet af Urban og hans team, bruges almindeligvis til at øge hastigheden af ​​en kemisk reaktion, uden at selve forbindelsen bliver forbrugt - de kan holde et bestemt molekyle i en stabil position, eller tjene som en mellemmand, der gør det muligt at gennemføre et vigtigt skridt pålideligt. For den kemiske reaktion, der producerer brint fra flydende bærere, de mest effektive katalysatorer er lavet af ædle metaller. Imidlertid, disse katalysatorer er forbundet med høje omkostninger og lav overflod, og er modtagelige for forurening. Andre billigere katalysatorer, lavet af mere almindelige metaller, tendens til at være mindre effektiv og mindre stabil, hvilket begrænser deres aktivitet og deres praktiske anvendelse i brintproduktionsindustrien.

For at forbedre ydeevnen og stabiliteten af ​​disse jordrige metalbaserede katalysatorer, Urban og hans kolleger ændrede en strategi, der fokuserer på små, ensartede klynger af nikkelmetal. Små klynger er vigtige, fordi de maksimerer eksponeringen af ​​reaktiv overflade i en given mængde materiale. Men de har også en tendens til at klumpe sig sammen, som hæmmer deres reaktivitet.

Postdoktoral forskningsassistent Zhuolei Zhang og projektforsker Ji Su, både på Molecular Foundry og co-lead forfattere på papiret, designet og udførte et eksperiment, der bekæmpede sammenklumpning ved at afsætte nikkelklynger med en diameter på 1,5 nanometer på et 2-D substrat lavet af bor og nitrogen, der er konstrueret til at være vært for et gitter af atomare fordybninger. Nikkelklyngerne blev jævnt spredt og sikkert forankret i fordybningerne. Ikke alene forhindrede dette design klumpning, men dens termiske og kemiske egenskaber forbedrede i høj grad katalysatorens samlede ydeevne ved direkte at interagere med nikkelklyngerne.

"Den underliggende overflades rolle under klyngedannelses- og aflejringsstadiet har vist sig at være kritisk, og kan give ledetråde til at forstå deres rolle i andre processer," sagde Urban.

Detaljerede røntgen- og spektroskopimålinger, kombineret med teoretiske beregninger, afslørede meget om de underliggende overflader og deres rolle i katalyse. Brug af værktøjer ved den avancerede lyskilde, en DOE-brugerfacilitet hos Berkeley Lab, og beregningsmæssige modelleringsmetoder, forskerne identificerede ændringer i de fysiske og kemiske egenskaber af 2-D arkene, mens små nikkelklynger blev dannet og aflejret på dem. Holdet foreslog, at materialet dannes, mens metalklynger optager uberørte områder af pladerne og interagerer med nærliggende kanter, dermed bevares den lille størrelse af klyngerne. Den lille, stabile klynger lettede handlingen i de processer, hvorigennem brint adskilles fra dets flydende bærer, giver katalysatoren fremragende selektivitet, produktivitet, og stabil ydeevne.

Beregninger viste, at katalysatorens størrelse var årsagen til, at dens aktivitet var blandt de bedste i forhold til andre, der for nylig er blevet rapporteret. David Prendergast, direktør for Theory of Nanostructured Materials Facility på Molecular Foundry, sammen med postdoc forskningsassistent og co-lead forfatter Ana Sanz-Matias, brugte modeller og beregningsmetoder til at afdække den unikke geometriske og elektroniske struktur af de små metalklynger. Bare metal atomer, rigeligt på disse små klynger, tiltrak den flydende bærer lettere end større metalpartikler. Disse udsatte atomer lettede også trinene i den kemiske reaktion, der fjerner brint fra bæreren, og samtidig forhindre dannelsen af ​​forurenende stoffer, der kan tilstoppe klyngens overflade. Derfor, materialet forblev fri for forurening under vigtige trin i hydrogenproduktionsreaktionen. Disse katalytiske og anti-kontamineringsegenskaber opstod fra de ufuldkommenheder, der bevidst var blevet introduceret til 2-D arkene og hjalp i sidste ende med at holde klyngestørrelsen lille.

"Forurening kan gøre mulige ikke-ædelmetalkatalysatorer ulevedygtige. Vores platform her åbner en ny dør til konstruktion af disse systemer, sagde Urban.

I deres katalysator, forskerne nåede målet om at skabe en relativt billig, let tilgængelige, and stable material that helps to strip hydrogen from liquid carriers for use as a fuel. This work came out of a DOE effort to develop hydrogen storage materials to meet the targets of EERE's Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office and to optimize the materials for future use in vehicles.

Future work by the Berkeley Lab team will further hone the strategy of modifying 2-D substrates in ways that support tiny metal clusters, to develop even more efficient catalysts. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.