Hierdie diagram illustreer die nuwe proses vir die verbetering van reaksietempo's in 'n elektrokatalitiese proses. Die katalisatorlaag, gemaak van goud of platinum, word aan die onderkant as grys sfere getoon, en die materiaal wat gekataliseer moet word, word as die rad-sfere aan die bokant getoon. Deur 'n laag ioniese vloeistof tussenin by te voeg, getoon as die seskantige roosters, kan reaksietempo's vyfvoudig verhoog. Links is 'n detail van hoe suurstof (rooi) en waterstof (groen) kan kombineer om water teen 'n groter tempo deur hierdie proses te vorm. Krediet: Met vergunning van die navorsers, geredigeer deur MIT News
Maak katalitiese oppervlaktes meer aktief om brandstof en chemikalieë te help ontkarboniseer
’n Nuwe benadering verhoog die doeltreffendheid van chemiese reaksies wat die sleutel tot baie industriële prosesse is.
Elektrochemiese reaksies wat met katalisators versnel word, is die kern van baie prosesse vir die maak en gebruik van brandstof, chemikalieë en materiale - insluitend die berging van elektrisiteit vanaf hernubare energiebronne in chemiese bindings, 'n belangrike vermoë om vervoerbrandstowwe te ontkolen. Nou, navorsing by MIT kan die deur oopmaak vir maniere om sekere katalisators meer aktief te maak en sodoende die doeltreffendheid van sulke prosesse te verbeter.
'n Nuwe produksieproses het katalisators opgelewer wat die doeltreffendheid van die chemiese reaksies met vyfvoudig verhoog het, wat moontlik nuttige nuwe prosesse in biochemie, organiese chemie, omgewingchemie en elektrochemie moontlik gemaak het. Die bevindinge word in die joernaal beskryf Aardkatalise, in 'n referaat deur Yang Shao-Horn, 'n MIT-professor in meganiese ingenieurswese en van materiaalwetenskap en ingenieurswese, en 'n lid van die Navorsingslaboratorium vir Elektronika (RLE); Tao Wang, 'n postdoktor in RLE; Yirui Zhang, 'n gegradueerde student in die Departement Meganiese Ingenieurswese; en vyf ander.
Die proses behels die toevoeging van 'n laag van wat 'n ioniese vloeistof genoem word tussen 'n goud of platinum katalisator en 'n chemiese grondstof. Katalisators wat met hierdie metode vervaardig word, kan moontlik baie meer doeltreffende omskakeling van waterstofbrandstof moontlik maak om toestelle soos brandstofselle aan te dryf, of meer doeltreffende omskakeling van koolstofdioksied in brandstof.
"Daar is 'n dringende behoefte om te ontgas hoe ons vervoer verder as ligte voertuie aandryf, hoe ons brandstof maak en hoe ons materiaal en chemikalieë maak," sê Shao-Horn, en beklemtoon die dringende oproep om koolstofvrystellings te verminder wat in die jongste IPCC uitgelig is. verslag oor klimaatsverandering. Hierdie nuwe benadering tot die verbetering van katalitiese aktiwiteit kan 'n belangrike stap in daardie rigting bied, sê sy.
Die gebruik van waterstof in elektrochemiese toestelle soos brandstofselle is een belowende benadering tot ontkarbonisering van velde soos lugvaart en swaardiensvoertuie, en die nuwe proses kan help om sulke gebruike prakties te maak. Tans word die suurstofverminderingsreaksie wat sulke brandstofselle aandryf beperk deur die ondoeltreffendheid daarvan. Vorige pogings om daardie doeltreffendheid te verbeter het gefokus op die keuse van verskillende katalisatormateriale of die verandering van hul oppervlaksamestellings en struktuur.
In hierdie navorsing het die span egter 'n dun laag tussen die katalisator en die elektroliet bygevoeg, die aktiewe materiaal wat aan die chemiese reaksie deelneem, in plaas daarvan om die soliede oppervlaktes te verander. Die ioniese vloeistoflaag, het hulle gevind, reguleer die aktiwiteit van protone wat help om die tempo van die chemiese reaksies wat op die koppelvlak plaasvind, te verhoog.
Omdat daar 'n groot verskeidenheid van sulke ioniese vloeistowwe is om van te kies, is dit moontlik om protonaktiwiteit en die reaksietempo's te "verstel" om te pas by die energie wat nodig is vir prosesse wat protonoordrag behels, wat gebruik kan word om brandstof en chemikalieë te maak deur reaksies met suurstof .
"Die protonaktiwiteit en die versperring vir protonoordrag word deur die ioniese vloeistoflaag beheer, en dus is daar 'n groot afstembaarheid in terme van katalitiese aktiwiteit vir reaksies wat proton- en elektronoordrag behels," sê Shao-Horn. En die effek word geproduseer deur 'n verdwynende dun laag van die vloeistof, net 'n paar nanometer dik, waarbo 'n baie dikker laag van die vloeistof is wat die reaksie moet ondergaan.
"Ek dink hierdie konsep is nuut en belangrik," sê Wang, die koerant se eerste skrywer, "omdat mense weet dat die protonaktiwiteit belangrik is in baie elektrochemiese reaksies, maar dit is baie uitdagend om te bestudeer." Dit is omdat daar in 'n wateromgewing soveel interaksies tussen naburige watermolekules betrokke is dat dit baie moeilik is om te onderskei watter reaksies plaasvind. Deur 'n ioniese vloeistof te gebruik, waarvan die ione elk net 'n enkele binding met die tussenmateriaal kan vorm, het dit moontlik geword om die reaksies in detail te bestudeer, met behulp van infrarooispektroskopie.
As gevolg hiervan, sê Wang, "Ons bevinding beklemtoon die kritieke rol wat grensvlak-elektroliete, veral die intermolekulêre waterstofbinding, kan speel om die aktiwiteit van die elektro-katalitiese proses te verbeter. Dit bied ook fundamentele insigte in protonoordragmeganismes op 'n kwantummeganiese vlak, wat die grense kan verskuif om te weet hoe protone en elektrone op katalitiese koppelvlakke interaksie het.
"Die werk is ook opwindend, want dit gee mense 'n ontwerpbeginsel vir hoe hulle die katalisators kan instel," sê Zhang. "Ons het 'n paar spesies op 'n 'soet plek' nodig - nie te aktief of te inert nie - om die reaksietempo te verbeter."
Met sommige van hierdie tegnieke, sê Reshma Rao, 'n onlangse doktorale gegradueerde van MIT en nou 'n postdoktorale by Imperial College, Londen, wat ook 'n mede-outeur van die referaat is, "sien ons tot 'n vyf keer toename in aktiwiteit. Ek dink die opwindendste deel van hierdie navorsing is die manier waarop dit ’n hele nuwe dimensie oopmaak in die manier waarop ons oor katalise dink.” Die veld het "'n soort padblokkade," sê sy, getref deur maniere te vind om beter materiale te ontwerp. Deur te fokus op die vloeistoflaag eerder as op die oppervlak van die materiaal, “dit is soort van 'n heel ander manier om na hierdie probleem te kyk, en maak 'n hele nuwe dimensie oop, 'n hele nuwe as waarlangs ons dinge kan verander en sommige van hierdie reaksietempo's.”
Verwysing: "Enhancing oxygen reduction electrocatalysis by tuning interfaciale waterstofbindings" deur Tao Wang, Yirui Zhang, Botao Huang, Bin Cai, Reshma R. Rao, Livia Giordano, Shi-Gang Sun en Yang Shao-Horn, 6 September 2021, Aardkatalise.
DOI: 10.1038/s41929-021-00668-0
Die span het ook Botao Huang, Bin Cai en Livia Giordano in die MIT se Navorsingslaboratorium vir Elektronika en Shi-Gang Sun by Xiamen Universiteit in China ingesluit. Die werk is deur die Toyota Navorsingsinstituut ondersteun en het die Nasionale Wetenskapstigting se Extreme Science and Engineering Environment gebruik.
