Nowe, niedrogie opony MOH przyspieszają produkcję tlenu z wody

(AktualnościReakcja elektrochemiczna, która oddziela cząsteczki wody w celu wytworzenia tlenu, stanowi sedno wielu podejść mających na celu produkcję alternatywnych paliw transportowych. Ale reakcja ta musi być ułatwiona przez katalizator, a obecne wersje wymagają użycia rzadkich i drogich pierwiastków, takich jak iryd, co ogranicza możliwość produkcji takiego paliwa.

Teraz naukowcy z MIT i innych ośrodków opracowali zupełnie nowy typ katalizatora, zwany metalowodorotlenowym szkieletem organicznym (MHOF), który jest wytwarzany z niedrogich i powszechnie dostępnych składników. Rodzina materiałów pozwala inżynierom na precyzyjne dopasowanie struktury i składu katalizatora do potrzeb konkretnego procesu chemicznego, a następnie może dorównać lub przewyższyć wydajność droższych katalizatorów konwencjonalnych.

Wyniki zostały opisane dzisiaj w czasopiśmie materiały natury („struktury wodorotlenku metalu organicznego przestrajalne do katalizowania wydzielania tlenu”), w artykule autorstwa Shuai Yuana z MIT, doktoranta Jiayu Pinga, profesora Yang Shao Horna, profesora Yuri Romana Lichkowa i dziewięciu innych. Ilustracja przedstawia reakcję elektrochemiczną, w trakcie której cząsteczki wody (po lewej, z jednym atomem tlenu na czerwono, dwa atomy wodoru na biało) są rozszczepiane na cząsteczki tlenu (po prawej), która zachodzi w strukturze struktury organicznej wodorotlenku metalu, przedstawionej jako sieci w w górę i w dół. (Zdjęcie: dzięki uprzejmości naukowców)

Reakcje wydzielania tlenu są jedną z najczęstszych reakcji w elektrochemicznej produkcji paliw, chemikaliów i materiałów. Procesy te obejmują wytwarzanie wodoru jako produktu ubocznego wydzielania tlenu, który może być wykorzystany bezpośrednio jako paliwo lub podlegać reakcjom chemicznym w celu wytworzenia innych paliw transportowych; produkcja amoniaku do wykorzystania jako nawóz lub surowiec chemiczny; i zredukować dwutlenek węgla w celu kontrolowania emisji.

„Ale bez pomocy te odruchy są powolne” – mówi Shao Horn. „Aby reagować z powolną kinetyką, musisz poświęcić wysiłek lub energię, aby zwiększyć szybkość reakcji”. Ze względu na wymagany dodatkowy wkład energii „ogólna wydajność jest niska. Dlatego ludzie używają katalizatorów”, mówi, ponieważ te substancje w naturalny sposób wzmacniają reakcje poprzez obniżanie wkładu energii.

Ale jak dotąd te katalizatory „wszystkie opierają się na drogich materiałach lub bardzo rzadkich metalach późnego przejścia, na przykład na tlenku irydu, a społeczność poczyniła znaczne wysiłki, aby znaleźć alternatywy oparte na materiałach obfitujących w ziemię, które mają taką samą wydajność pod względem aktywności i stabilności, mówi Roman Łyczkow. Zespół twierdzi, że znalazł materiały, które zapewniają dokładnie taki zestaw właściwości.

Inne zespoły badały zastosowanie wodorotlenków metali, takich jak wodorotlenki żelaza i niklu, mówi Roman Lichkov. Jednak trudno było dostosować te materiały do ​​wymagań konkretnych zastosowań. Teraz jednak „powodem, dla którego nasza praca jest tak ekscytująca i istotna, jest to, że znaleźliśmy sposób na dostosowanie właściwości poprzez nanostrukturyzację wodorotlenków metali w unikalny sposób”.

Zespół zapożyczył się z badań nad pokrewną klasą związków znanych jako MOF (MOF), które są rodzajem struktury krystalicznej składającej się z węzłów tlenków metali połączonych ze sobą organicznymi cząsteczkami łącznikowymi. Zespół odkrył, że zastępując tlenek metalu w takich materiałach konkretnymi wodorotlenkami metali, stało się możliwe stworzenie precyzyjnie dostrajalnych materiałów, które mają również stabilność niezbędną do wykorzystania jako katalizatory.

„Ustawiając te łańcuchy tych organicznych wiązań obok siebie, w rzeczywistości kierują one tworzeniem arkuszy wodorotlenku metalu połączonych z tymi organicznymi wiązaniami, które są następnie układane w stos i mają większą stabilność” – mówi Roman Lichkov. Dodaje, że ma to wiele zalet, umożliwiając dokładniejszą kontrolę wzorców nanostrukturalnych, pozwalając na dokładniejszą kontrolę właściwości elektronicznych metalu, a także zapewniając większą stabilność, umożliwiając im wyróżnianie się przez dłuższy czas użytkowania.

Shao Horn mówi, że podczas testowania takich materiałów naukowcy odkryli, że działanie bodźców było „zaskakujące”. „Jest porównywalny z nowoczesnymi materiałami tlenkowymi, które katalizują reakcję wydzielania tlenu”.

Ponieważ materiały te składają się w dużej mierze z niklu i żelaza, powinny być co najmniej 100 razy tańsze niż obecne katalizatory, chociaż zespół musi jeszcze przeprowadzić pełną analizę ekonomiczną.

Ta rodzina materiałów „naprawdę zapewnia nową przestrzeń do dostrajania aktywnych miejsc w celu katalizowania rozszczepiania wody w celu wytworzenia wodoru przy zmniejszonym poborze energii”, mówi Shao Horn, aby sprostać dokładnym potrzebom każdego procesu chemicznego, w którym wymagane są te katalizatory.

Bing twierdzi, że materiały mogą zapewnić „pięć razy większą przestrajalność” niż katalizatory na bazie niklu, po prostu przez zastąpienie niklu różnymi metalami w związku. „Potencjalnie zapewnia to wiele istotnych możliwości przyszłych odkryć”. Materiał można również wytwarzać w postaci bardzo cienkich arkuszy, które można następnie powlekać innym materiałem, co dodatkowo obniża koszty materiałowe tych systemów.

Jak dotąd materiały były testowane w laboratoryjnych urządzeniach testowych na małą skalę, a zespół pracuje obecnie nad rozwiązaniem problemów związanych z próbą skalowania procesu do odpowiedniej skali komercyjnej, co może zająć jeszcze kilka lat. Ale pomysł ma ogromny potencjał, mówi Shao Horn, aby pomóc stymulować czystą, bezemisyjną produkcję paliwa wodorowego, dzięki czemu możemy obniżyć koszty wodoru z procesu, nie będąc ograniczeni dostępnością metali szlachetnych. To ważne, ponieważ potrzebujemy technologii produkcji wodoru, które można rozbudować. ”

Zespół badawczy obejmował inne osoby z MIT, Uniwersytetu Sztokholmskiego w Szwecji, Krajowego Laboratorium Akceleratora SLAC oraz Instytutu Badawczego Fizyki i Materiałów Wiązki Jonowej w Dreźnie w Niemczech.