Forskere udvikler billig og effektiv ethanolkatalysator fra lasersmeltede nanopartikler
Ethanol brændselsceller betragtes som lovende kilder til grøn elektricitet. Imidlertid anvendes dyre platinkatalysatorer i deres produktion. Forskning i lasersmeltning af suspensioner udført ved Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi i Krakow har ført forskere til materialer, der katalyserer ethanol med en lignende - og potentielt endnu større - effektivitet som platin, men som alligevel er lavet af et grundstof det er mange gange billigere end platin.
Når laserimpulser bestråler en suspension af nanopartikler, kan partiklerne i suspensionen begynde at smelte og klæbe permanent sammen, mens de hurtigt gennemgår kemiske reaktioner, der er mere eller mindre komplekse. Et af de seneste materialer opnået på denne måde, produceret ved Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow, viser sig at have en uventet høj effektivitet til at katalysere ethanol, en forbindelse, der anses for at være en lovende energi kilde til brændselsceller.
Ethanol er et brændstof med mange fordele - det kan produceres på en vedvarende måde (for eksempel fra biomasse), det kan nemt opbevares og har lav toksicitet. Det, der dog er af særlig betydning, er det faktum, at op til flere gange mængden af elektricitet kan opnås fra en enhedsmasse ethanol sammenlignet med nuværende populære strømkilder.
Elektricitet i ethanoldrevne brændselsceller genereres af processer forbundet med oxidationen af denne alkohol på reaktionens katalysatorlag. Desværre tillader nuværende katalysatorer ikke ethanols hurtige og fuldstændige oxidation til vand og kuldioxid. Som følge heraf formår cellerne ikke kun at nå maksimal effektivitet, men producerer også uønskede biprodukter, der aflejres på katalysatoren og med tiden fører til, at dens egenskaber forsvinder.
"En betydelig hindring for ethanolcellers kommercielle succes er også deres pris. Den katalysator, vi har fundet, kan have en betydelig indflydelse på dens reduktion og følgelig på tilgængeligheden af nye celler på forbrugermarkedet. Dette skyldes, at dens hovedkomponent er ikke platin, men kobber, som er næsten 250 gange billigere end platin," siger Dr. Mohammad Shakeri (IFJ PAN), førsteforfatter af papiret i tidsskriftet Advanced Functional Materials.
Præstationen af forskere fra IFJ PAN er resultatet af forskning udført i laserkontrol af størrelsen og kemiske sammensætning af agglomerater i suspensioner. Hovedideen bag lasernanosyntesen af kompositter er bestrålingen af en suspension indeholdende agglomerater af nanopartikler af et specifikt kemisk stof med pulser af ufokuseret laserlys med passende udvalgte parametre.
Den passende afgivne energi får partiklernes temperatur til at stige, de smelter på overfladen og klumper sig sammen til større og større strukturer, som afkøles hurtigt ved kontakt med den omgivende kølige væske. Den temperatur, som partiklerne opnår, bestemmes af mange faktorer, herunder energien af fotonerne, der udsendes af laseren, intensiteten af strålen, frekvensen og længden af impulserne og endda størrelsen af agglomeraterne i suspension.
"Afhængig af den temperatur, som agglomeraterne opnår, kan der ske forskellige kemiske reaktioner i materialet foruden ændringer af rent strukturel karakter. I vores forskning har vi fokuseret på den mest nøjagtige teoretiske og eksperimentelle analyse af de fysiske og kemiske fænomener i suspensioner, hvor pulser af laserlys blev absorberet af nanopartikler af kobber og dets oxider," forklarer Dr. Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN).
I tilfælde af ægte opløsningspartikler sker temperaturstigningen i nanosekunder, for hurtigt til at kunne måles. I denne situation blev teoretiske molekylære dynamikanalyser det første skridt i forståelsen af de kobbersystemer, der studeres, understøttet på senere stadier af simuleringer udført af Prometheus-computerklyngen fra Krakow.
Takket være disse bestemte forskerne, til hvilke temperaturer agglomerater af forskellige størrelser ville opvarmes, og hvilke forbindelser der kunne dannes i disse processer. Derudover kontrollerede de, om disse forbindelser ville være termodynamisk stabile eller undergå yderligere transformationer. Fysikerne brugte den opnåede viden til at forberede en række eksperimenter, hvor nanopartikler af kobber og dets oxider blev lasersmeltet i forskellige proportioner.
De opnåede kompositmaterialer blev blandt andet testet i laboratorierne i IFJ PAN og i Cracow SOLARIS cyklotronen for at bestemme graden af oxidation af kobberforbindelser. De opnåede oplysninger gjorde det muligt for forskerne at identificere den optimale katalysator. Dette viste sig at være et tre-komponent system bygget af passende andele af kobber og dets oxider af den første og anden oxidationstilstand (dvs. Cu2 O og CuO).
"Fra et synspunkt om effektiviteten af ethanolkatalyse var den afgørende opdagelse, at partikler af kobberoxid Cu2 O3 , som normalt er termodynamisk meget ustabile, var til stede i vores materiale. På den ene side er de karakteriseret ved en ekstrem høj grad af oxidation, på den anden side fandt vi dem hovedsageligt på overfladen af Cu2 O-partikler, hvilket i praksis betyder, at de havde rigtig god kontakt med opløsningen. Det er disse Cu2 O3 partikler, der letter adsorptionen af alkoholmolekylerne og brydningen af carbon-hydrogen-bindingerne i dem," siger Dr. Shakeri.
Test af egenskaberne af katalysatoren fremstillet af Krakow-fysikere endte med optimistiske resultater. Den valgte komposit beholdt evnen til fuldt ud at oxidere ethanol selv efter flere timers brug. Desuden viste dens elektrokatalytiske effektivitet sig sammenlignelig med moderne platinkatalysatorer.
Fra et videnskabeligt perspektiv er dette resultat positivt forbløffende. Katalyse forløber generelt mere effektivt, jo større overfladearealet af agglomeraterne er, hvilket har at gøre med fragmenteringen af deres struktur. Det undersøgte kompositmateriale var dog ikke nanometer stort, men adskillige størrelsesordener større, submikron i størrelse. Det forekommer derfor sandsynligt, at hvis det lykkes fysikere at reducere størrelsen af partiklerne i fremtiden, kan effektiviteten af den nye katalysator stige yderligere.
Flere oplysninger: Mohammad Sadegh Shakeri et al., Alternativ lokal smeltning-størkning af suspenderede nanopartikler til dannelse af heterostruktur muliggjort af pulserende laserbestråling, avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202304359
Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer
Leveret af det polske videnskabsakademi
Varme artikler
-
En fantastisk simpel opskrift på korund i nanometerstørrelseTredimensionel visualisering af korund nanopartikler. Et rigtigt mikroskopisk billede i baggrunden (falske farver). Kredit:IFJ PAN, MPI Kofo Næsten alle bruger aluminiumoxid i nanometer i disse da -
Nanoarray snuser ud og adskiller flere sygdommeKredit:American Chemical Society Inden moderne medicinske laboratorieteknikker blev tilgængelige, læger diagnosticerede nogle sygdomme ved at lugte til patientens ånde. Forskere har arbejdet i åre -
Hybrid kobber-guld nanopartikler omdanner CO2Forskere har kombineret guld nanopartikler (i lys rød) med kobber nanopartikler (i lysegrøn) til dannelse af hybrid nanopartikler (mørkerød), som de blev til pulver (forgrund) for at katalysere kuldio -
Forskere designer tredimensionelle kirigami-byggesten til at lave dynamiske metamaterialerKredit:North Carolina State University En ny tilgang til fremstilling af metamaterialer trækker på kirigami-teknikker til at gøre tredimensionelle, rekonfigurerbare byggeklodser, der kan bruges ti
- Antarktis er stadig fri for COVID-19. Kan det forblive sådan?
- Skab forandring gennem forskning
- Hitachi køber majoritetsandel i ABBs elnet for $ 6,4 mia
- Sådan finder du antallet af ioner i en forbindelse
- Ny 3D-sammenkoblingsteknologi til fremtidig bærbar bioelektronik
- Muliggør præcis kontrol af katalytiske reaktioner