Nanoskalafilm kaster lys over én barriere for en fremtid med ren energi
Hvis det ikke er kontrolleret, kan korrosion ruste biler og rør ud, ødelægge bygninger og broer og tære på vores monumenter. Korrosion kan også beskadige enheder, der kan være nøglen til en fremtid med ren energi. Og nu har forskere fra Duke University fanget ekstreme nærbilleder af den proces i aktion.
"Ved at studere, hvordan og hvorfor vedvarende energienheder nedbrydes over tid, kan vi muligvis forlænge deres levetid," sagde kemiprofessor og seniorforfatter Ivan Moreno-Hernandez.
I hans laboratorium på Duke sidder en miniatureversion af en sådan enhed. Kaldet en elektrolysator, adskiller den brint fra vand ved at bruge elektricitet til at drive reaktionen.
Når elektriciteten til at drive elektrolyse kommer fra vedvarende kilder såsom vind eller sol, betragtes den brintgas, den udvinder, som en lovende kilde til rent brændstof, fordi det ikke kræver fossile brændstoffer at producere, og det brænder uden at skabe kuldioxid, der opvarmer planeten. .
En række lande har planer om at opskalere deres produktion af såkaldt "grøn brint" for at hjælpe med at begrænse deres afhængighed af fossile brændstoffer, især inden for industrier som stål- og cementfremstilling.
Men før brint kan blive mainstream, skal nogle store forhindringer overvindes.
En del af problemet er, at elektrolysatorer kræver sjældne metalkatalysatorer for at fungere, og disse er tilbøjelige til korrosion. De er ikke de samme efter et års drift, som de var i begyndelsen.
I en undersøgelse offentliggjort 10. april i Journal of the American Chemical Society , Moreno-Hernandez og hans ph.d. studerende Avery Vigil brugte en teknik kaldet væskefasetransmissionselektronmikroskopi til at studere de komplekse kemiske reaktioner, der foregår mellem disse katalysatorer og deres miljø, og som får dem til at henfalde.
Du husker måske fra gymnasiet, at for at lave brintgas spalter en elektrolysator vand i dets bestanddele brint- og oxygenmolekyler. For den aktuelle undersøgelse fokuserede holdet på en katalysator kaldet rutheniumdioxid, der fremskynder ilthalvdelen af reaktionen, da det er flaskehalsen i processen.
"Vi sætter i det væsentlige disse materialer gennem en stresstest," sagde Vigil.
De zappede nanokrystaller af rutheniumdioxid med højenergistråling og så derefter ændringerne, der var forårsaget af det sure miljø inde i cellen.
Til at tage billeder af sådanne små genstande brugte de et transmissionselektronmikroskop, som skyder en elektronstråle gennem nanokrystaller suspenderet inde i en supertynd væskelomme for at skabe time-lapse-billeder af kemien, der finder sted med 10 billeder i sekundet.
Resultatet:Desktop-værdige nærbilleder af krystaller i virusstørrelse, mere end tusind gange finere end et menneskehår, da de bliver oxideret og opløses i den sure væske omkring dem.
"Vi er faktisk i stand til at se processen med denne katalysator bryde sammen med opløsning i nanoskala," sagde Moreno-Hernandez.
I løbet af fem minutter brød krystallerne sammen hurtigt nok til at "gøre en rigtig enhed ubrugelig i løbet af få timer," sagde Vigil.
Ved at zoome ind hundredtusindvis af gange afslører videoerne subtile defekter i krystallernes 3D-former, der skaber belastningsområder, hvilket får nogle til at bryde ned hurtigere end andre.
Ved at minimere sådanne ufuldkommenheder siger forskerne, at det en dag kunne være muligt at designe vedvarende energienheder, der holder to til tre gange længere, end de gør i øjeblikket.
"Så i stedet for at være stabil i f.eks. to år, kunne en elektrolysator holde seks år. Det kan have en massiv indvirkning på vedvarende teknologier," sagde Moreno-Hernandez.
Flere oplysninger: S. Avery Vigil et al, Dissolution Heterogeneity Observed in Anisotropic Ruthenium Dioxide Nanocrystals via Liquid-Phase Transmission Electron Microscopy, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c13709
Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society
Leveret af Duke University
Varme artikler
-
Et skridt tættere på at bruge nanoporøst grafen i smarte filtre og sensorerSom led i et nationalt forskningssamarbejde, Spanske forskere inklusive ICN2 har gjort ensartet nanoporøs grafen til en praktisk realitet. En vigtig milepæl inden for grafenforskning, dette bringer os -
Nanopartikler med en kerne-skal struktur kan minimere overophedning af celler under bioimaging ekspe…En kerne-skal nanopartikel kan høste lys ved biokompatible bølgelængder (venstre) og producere luminescerende lys til biobilleddannelse med justerbare farveemissioner (højre). Kredit:American Chemical -
Ensartede enkeltatomare steder forankret i grafdiyn til benzenhydroxylering til phenolKobberioner er kompleksbundet med grafdiynmonomeren (HEB) for at danne kobber-alkynkomplekser. Under monomerkoblingsprocessen reduceres kobberioner og forankres af grafdiyn. Kredit:Science China Press -
Bedre adskillelser med tilpassede nanopartikelmembranerNanopartikelmembraner i aktion:(øverst) en film af guldnanopartikler på et porøst substrat og transportvejen for et ladet molekyle (blå kugle), der bevæger sig gennem en udækket pore; (nederst) er hve
- Sådan identificeres Ohio Wild Mushrooms
- Astronauterne ekstra næse
- ALICE får grønt lys til nye underdetektorer
- Ny roterende elektrisk kontakt eliminerer afhængigheden af sjældne jordarters magneter til store…
- Hjælper skolebaserede interventioner med at forbedre læsning og matematik hos udsatte børn?
- Supersoniske plasmastråler opdaget