Одной из предлагаемых парадигм отказа от ископаемого топлива является водородная экономика, в которой газообразный водород удовлетворяет потребности общества в электроэнергии. Чтобы массово производить газообразный водород, некоторые ученые изучают процесс расщепления воды – двух атомов водорода и одного атома кислорода, – что приведет к образованию водородного топлива и пригодного для дыхания газообразного кислорода.
Фэн Линь, доцент химии в Технологическом колледже Вирджинии, занимается исследованиями в области хранения и преобразования энергии. Эта работа является частью нового исследования, опубликованного в журнале Nature Catalysis, которое решает ключевой фундаментальный барьер в процессе электрохимического расщепления воды, где Lin Lab демонстрирует новую технику повторной сборки, оживления и повторного использования катализатора, позволяющего получать энергоэффективные расщепление воды.
Чунгуан Куай, бывший аспирант Линя, является первым автором исследования вместе с Лином и соавторами аспирантов-химиков Чжэнжуй Сюй, Аньян Ху и Чжицзе Ян.
Основная идея этого исследования восходит к предмету на уроках общей химии: катализаторам.
Эти вещества увеличивают скорость реакции, не расходясь в химическом процессе. Один из способов увеличения скорости реакции катализатором – уменьшение количества энергии, необходимой для начала реакции.
Вода может показаться простой, поскольку молекула состоит всего из трех атомов, но процесс ее расщепления довольно сложен. Но лаборатория Линь сделала это.
Даже перемещение одного электрона от стабильного атома может быть энергоемким, но эта реакция требует переноса четырех электронов для окисления кислорода с образованием газообразного кислорода.
«В электрохимической ячейке процесс переноса четырех электронов сделает реакцию довольно вялой, и нам нужен более высокий электрохимический уровень, чтобы это произошло», – сказал Линь. «Поскольку для расщепления воды требуется больше энергии, долгосрочная эффективность и стабильность катализатора становятся ключевыми проблемами."
Чтобы удовлетворить эту высокую потребность в энергии, Lin Lab вводит общий катализатор, называемый смешанным гидроксидом никеля и железа (MNF), для снижения порогового значения. Реакции расщепления воды с MNF работают хорошо, но из-за высокой реакционной способности MNF он имеет короткий срок службы, и каталитические характеристики быстро снижаются.
Лин и его команда открыли новую технику, которая позволила бы периодическую сборку до исходного состояния MNF, тем самым позволяя процессу расщепления воды продолжаться. (В своих экспериментах команда использовала пресную воду, но Лин предполагает, что соленая вода – самая распространенная форма воды на Земле – также может работать.)
MNF имеет долгую историю исследований в области энергетики. Когда Томас Эдисон возился с батареями более века назад, он также использовал те же элементы никеля и железа в батареях на основе гидроксида никеля.
Эдисон наблюдал образование газообразного кислорода в своих экспериментах с гидроксидом никеля, что плохо для батареи, но в случае расщепления воды целью является получение газообразного кислорода.
«Ученые давно поняли, что добавление железа в решетку гидроксида никеля является ключом к увеличению реакционной способности расщепления воды."Куай сказал. «Но в каталитических условиях структура предварительно разработанного МНФ очень динамична из-за очень агрессивной среды электролитического раствора."
Во время экспериментов Линь МНФ разлагается из твердой формы в ионы металлов в растворе электролита – ключевое ограничение этого процесса. Но команда Линя заметила, что когда электрохимическая ячейка переключается с высокого электрокаталитического потенциала на низкий восстанавливающий потенциал всего в течение двух минут, растворенные ионы металлов снова собираются в идеальный катализатор MNF.
Это происходит из-за изменения направления градиента pH на границе раздела между катализатором и раствором электролита.
«Во время двухминутного низкого потенциала мы продемонстрировали, что мы не только получаем ионы никеля и железа, осаждаемые обратно в электрод, но и очень хорошо смешиваем их вместе и создаем высокоактивные каталитические центры», – сказал Лин. «Это действительно захватывающе, потому что мы восстанавливаем каталитические материалы в масштабе атомной длины в пределах электрохимического интерфейса в несколько нанометров."
Еще одна причина, по которой преобразование работает так хорошо, заключается в том, что Lin Lab синтезировала новые MNF в виде тонких листов, которые легче собрать, чем объемный материал.
Подтверждение результатов с помощью рентгеновских лучей
Чтобы подтвердить эти выводы, команда Линя провела измерения синхротронного рентгеновского излучения в Усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории и в Стэнфордском источнике синхротронного излучения Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
В этих измерениях используется та же основная предпосылка, что и при обычном рентгеновском снимке в больнице, но в гораздо большем масштабе.
«Мы хотели понаблюдать за тем, что происходило в течение всего этого процесса», – сказал Куай. «Мы можем использовать рентгеновские снимки, чтобы буквально увидеть растворение и повторное осаждение этих металлических чугунов, чтобы получить фундаментальную картину химических реакций."
Для синхротронного оборудования требуется массивная петля, подобная размеру Drillfield в Технологическом институте Вирджинии, которая может выполнять рентгеновскую спектроскопию и визуализацию на высоких скоростях. Это обеспечивает Lin высокие уровни данных в каталитических условиях эксплуатации. Исследование также дает представление о ряде других важных наук об электрохимической энергии, таких как восстановление азота, сокращение углекислого газа и воздушно-цинковые батареи.
«Помимо визуализации, многочисленные рентгеновские спектроскопические измерения позволили нам изучить, как отдельные ионы металлов объединяются и образуют кластеры с различным химическим составом», – сказал Линь. "Это действительно открыло двери для исследования электрохимических реакций в реальных средах химических реакций."
Работа поддержана стартовыми фондами Департамента химии и Институтом критических технологий и прикладных наук.