Første kig på nanoskala på en reaktion, der begrænser effektiviteten af ​​at generere rent brintbrændstof

Overgangen fra fossile brændstoffer til en ren brintøkonomi vil kræve billigere og mere effektive måder at bruge vedvarende kilder til elektricitet til at bryde vand til brint og ilt.

Men et vigtigt skridt i den proces, kendt som oxygenudviklingsreaktionen eller OER, har vist sig at være en flaskehals. I dag er den kun omkring 75 % effektiv, og de ædelmetalkatalysatorer, der bruges til at accelerere reaktionen, som platin og iridium, er sjældne og dyre.

Nu har et internationalt team ledet af forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory udviklet en række avancerede værktøjer til at bryde igennem denne flaskehals og forbedre andre energirelaterede processer, såsom at finde måder at få lithium-ion-batterier til at oplade hurtigere. Forskerholdet beskrev deres arbejde i Nature i dag.

Arbejder hos Stanford, SLAC, DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Warwick University i Storbritannien, de var i stand til at zoome ind på individuelle katalysatornanopartikler – formet som små plader og omkring 200 gange mindre end en rød blodcelle – og se dem accelerere dannelsen af ​​ilt inde i specialfremstillede elektrokemiske celler, inklusive en, der passer i en dråbe vand.

De opdagede, at det meste af den katalytiske aktivitet fandt sted på kanterne af partikler, og de var i stand til at observere de kemiske vekselvirkninger mellem partiklen og den omgivende elektrolyt i en skala af milliardtedele af en meter, mens de skruede op for spændingen for at drive reaktionen.

Ved at kombinere deres observationer med tidligere beregningsarbejde udført i samarbejde med SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis ved SLAC og Stanford, de var i stand til at identificere et enkelt trin i reaktionen, der begrænser, hvor hurtigt det kan forløbe.

"Denne suite af metoder kan fortælle os, hvor, hvad og hvorfor af hvordan disse elektrokatalytiske materialer virker under realistiske driftsforhold, " sagde Tyler Mefford, en stabsforsker hos Stanford og Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC, der ledede forskningen. "Nu hvor vi har skitseret, hvordan man bruger denne platform, applikationerne er ekstremt brede."

Opskalering til en brintøkonomi

Ideen om at bruge elektricitet til at nedbryde vand til ilt og brint dateres tilbage til 1800, da to britiske forskere opdagede, at de kunne bruge elektrisk strøm genereret af Alessandro Voltas nyopfundne bunkebatteri til at drive reaktionen.

denne proces, kaldet elektrolyse, fungerer meget som et batteri omvendt:I stedet for at generere elektricitet, den bruger elektrisk strøm til at spalte vand til brint og ilt. Reaktionerne, der genererer brint og oxygengas, finder sted på forskellige elektroder ved hjælp af forskellige ædelmetalkatalysatorer.

Brintgas er et vigtigt kemisk råmateriale til fremstilling af ammoniak og raffinering af stål, og bliver i stigende grad målrettet som et rent brændstof til tung transport og langsigtet energilagring. Men mere end 95 % af den brint, der produceres i dag, kommer fra naturgas via reaktioner, der udsender kuldioxid som et biprodukt. Fremstilling af brint gennem vandelektrolyse drevet af elektricitet fra solenergi, vind, og andre bæredygtige kilder ville reducere kulstofemissionerne betydeligt i en række vigtige industrier.

Men at producere brintbrændstof fra vand i stor nok skala til at drive en grøn økonomi, videnskabsmænd bliver nødt til at gøre den anden halvdel af vandspaltningsreaktionen - den der genererer ilt - meget mere effektiv, og finde måder at få det til at fungere med katalysatorer baseret på meget billigere og mere rigelige metaller end dem, der bruges i dag.

"Der er ikke nok ædle metaller i verden til at drive denne reaktion i den skala, vi har brug for, " sagde Mefford, "og deres omkostninger er så høje, at den brint, de genererer, aldrig kunne konkurrere med brint afledt af fossile brændstoffer."

Forbedring af processen vil kræve en meget bedre forståelse af, hvordan vandspaltningskatalysatorer fungerer, så detaljeret, at forskerne kan forudsige, hvad der kan gøres for at forbedre dem. Indtil nu, mange af de bedste teknikker til at foretage disse observationer virkede ikke i væskemiljøet i en elektrokatalytisk reaktor.

I dette studie, videnskabsmænd fandt flere måder at omgå disse begrænsninger og få et skarpere billede end nogensinde før.

Nye måder at spionere på katalysatorer på

Katalysatoren de valgte at undersøge var koboltoxyhydroxid, som kom i form af flad, sekssidede krystaller kaldet nanoplader. Kanterne var skarpe og ekstremt tynde, så det ville være let at skelne, om en reaktion fandt sted på kanterne eller på den flade overflade.

For omkring et årti siden, Patrick Unwins forskergruppe ved University of Warwick havde opfundet en ny teknik til at placere en elektrokemisk miniaturecelle inde i en dråbe i nanoskala, der stikker ud fra spidsen af ​​et pipetterør. Når dråben bringes i kontakt med en overflade, enheden afbilder overfladens topografi og elektroniske og ioniske strømme med meget høj opløsning.

Til denne undersøgelse, Unwins team tilpassede denne lille enhed til at fungere i det kemiske miljø af iltudviklingsreaktionen. Postdoktorale forskere Minkyung Kang og Cameron Bentley flyttede det fra sted til sted hen over overfladen af ​​en enkelt katalysatorpartikel, mens reaktionen fandt sted.

"Vores teknik giver os mulighed for at zoome ind for at studere ekstremt små områder med reaktivitet, " sagde Kang, der ledede forsøgene der. "Vi ser på iltproduktion i en skala mere end hundrede millioner gange mindre end typiske teknikker."

De opdagede, at som det ofte er tilfældet for katalytiske materialer, kun kanterne fremmede reaktionen aktivt, foreslår, at fremtidige katalysatorer bør maksimere denne form for skarpe, tynd funktion.

I mellemtiden Stanford og SIMES-forsker Andrew Akbashev brugte elektrokemisk atomkraftmikroskopi til at bestemme og visualisere præcis, hvordan katalysatoren ændrede form og størrelse under drift, og opdagede, at de reaktioner, der oprindeligt ændrede katalysatoren til dens aktive tilstand, var meget anderledes end tidligere antaget. I stedet for at protoner forlader katalysatoren for at starte aktiveringen, hydroxidioner indsatte sig selv i katalysatoren først, dannede vand inde i partiklen, der fik den til at svulme op. Mens aktiveringsprocessen fortsatte, dette vand og resterende protoner blev drevet ud igen.

I et tredje sæt eksperimenter, holdet arbejdede med David Shapiro og Young-Sang Yu på Berkeley Labs Advanced Light Source og med et firma i Washington, Hummingbird Scientific, at udvikle en elektrokemisk flowcelle, der kunne integreres i et scanningstransmissionsrøntgenmikroskop. Dette gjorde det muligt for dem at kortlægge oxidationstilstanden af ​​arbejdskatalysatoren - en kemisk tilstand, der er forbundet med katalytisk aktivitet - i områder så små som omkring 50 nanometer i diameter.

"Vi kan nu begynde at anvende de teknikker, vi udviklede i dette arbejde, mod andre elektrokemiske materialer og processer, " sagde Mefford. "Vi vil også gerne studere andre energirelaterede reaktioner, som hurtig opladning i batterielektroder, kuldioxidreduktion til kulstoffangst, og iltreduktion, som giver os mulighed for at bruge brint i brændselsceller."