Эта диаграмма иллюстрирует новый процесс повышения скорости реакции в электрокаталитическом процессе. Слой катализатора, изготовленный из золота или платины, показан серыми сферами внизу, а катализируемый материал показан рад-сферами вверху. Добавление слоя ионной жидкости между ними, показанного в виде шестиугольных решеток, может увеличить скорость реакции в пять раз. Слева показано, как кислород (красный) и водород (зеленый) могут объединяться с образованием воды с повышенной скоростью в ходе этого процесса. Предоставлено: предоставлено исследователями, под редакцией MIT News.
Повышение активности каталитических поверхностей для обезуглероживания топлива и химикатов
Новый подход повышает эффективность химических реакций, которые являются ключевыми для многих промышленных процессов.
Электрохимические реакции, которые ускоряются с помощью катализаторов, лежат в основе многих процессов производства и использования топлива, химикатов и материалов, включая хранение электроэнергии из возобновляемых источников энергии в химических связях, что является важной возможностью обезуглероживания транспортного топлива. Теперь исследования в из Массачусетского Технологического Института может открыть путь к тому, чтобы сделать некоторые катализаторы более активными и, таким образом, повысить эффективность таких процессов.
Новый производственный процесс дал катализаторы, которые увеличили эффективность химических реакций в пять раз, потенциально делая возможными полезные новые процессы в биохимии, органической химии, химии окружающей среды и электрохимии. Выводы описаны в журнале Природный катализ, в статье Ян Шао-Хорна, профессора машиностроения, материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а также члена Исследовательской лаборатории электроники (RLE); Тао Ван, постдок RLE; Yrui Zhang, аспирант кафедры машиностроения; и пять других.
Процесс включает добавление слоя так называемой ионной жидкости между золотым или платиновым катализатором и химическим сырьем. Катализаторы, произведенные с помощью этого метода, потенциально могут обеспечить гораздо более эффективное преобразование водородного топлива в силовые устройства, такие как топливные элементы, или более эффективное преобразование углекислого газа в топливо.
«Существует острая необходимость обезуглероживания того, как мы питаем транспорт, помимо легковых автомобилей, как мы производим топливо и как мы производим материалы и химикаты», — говорит Шао-Хорн, подчеркивая насущный призыв к сокращению выбросов углерода, подчеркнутый в последнем отчете МГЭИК. доклад об изменении климата. По ее словам, этот новый подход к повышению каталитической активности может стать важным шагом в этом направлении.
Использование водорода в электрохимических устройствах, таких как топливные элементы, является одним из многообещающих подходов к обезуглероживанию таких областей, как авиация и большегрузные транспортные средства, и новый процесс может помочь сделать такое использование практичным. В настоящее время реакция восстановления кислорода, питающая такие топливные элементы, ограничена своей неэффективностью. Предыдущие попытки повысить эту эффективность были сосредоточены на выборе различных каталитических материалов или изменении состава и структуры их поверхности.
Однако в этом исследовании вместо модификации твердых поверхностей команда добавила тонкий слой между катализатором и электролитом, активным материалом, участвующим в химической реакции. Они обнаружили, что слой ионной жидкости регулирует активность протонов, которые помогают увеличить скорость химических реакций, происходящих на границе раздела.
Поскольку существует большое разнообразие таких ионных жидкостей на выбор, можно «настроить» протонную активность и скорость реакции, чтобы они соответствовали энергетике, необходимой для процессов, связанных с переносом протонов, которые можно использовать для получения топлива и химикатов посредством реакций с кислородом. .
«Активность протонов и барьер для переноса протонов регулируются слоем ионной жидкости, поэтому каталитическая активность для реакций, включающих перенос протонов и электронов, очень гибкая», — говорит Шао-Хорн. И эффект создается исчезающе тонким слоем жидкости, толщиной всего в несколько нанометров, над которым находится гораздо более толстый слой жидкости, которая должна подвергнуться реакции.
«Я думаю, что эта концепция является новой и важной, — говорит Ван, первый автор статьи, — потому что люди знают, что протонная активность важна во многих электрохимических реакциях, но ее очень сложно изучать». Это связано с тем, что в водной среде происходит так много взаимодействий между соседними молекулами воды, что очень трудно выделить, какие реакции происходят. Используя ионную жидкость, каждый из ионов которой может образовывать только одинарную связь с промежуточным материалом, стало возможным детально изучить реакции с помощью инфракрасной спектроскопии.
В результате, говорит Ван: «Наше открытие подчеркивает критическую роль, которую межфазные электролиты, в частности межмолекулярные водородные связи, могут играть в повышении активности электрокаталитического процесса. Он также дает фундаментальное представление о механизмах переноса протонов на квантово-механическом уровне, что может расширить границы понимания того, как протоны и электроны взаимодействуют на каталитических поверхностях».
«Работа также увлекательна, потому что она дает людям представление о том, как они могут настраивать катализаторы», — говорит Чжан. «Нам нужны некоторые виды прямо в «золотой зоне» — не слишком активные и не слишком инертные — чтобы повысить скорость реакции».
С некоторыми из этих методов, говорит Решма Рао, недавняя выпускница докторской степени Массачусетского технологического института, а ныне постдокторант Имперского колледжа в Лондоне, которая также является соавтором статьи, «мы наблюдаем пятикратное увеличение активности. Я думаю, что самая захватывающая часть этого исследования заключается в том, что оно открывает совершенно новое измерение нашего понимания катализа». По ее словам, эта область столкнулась с «своего рода препятствием» в поиске способов разработки лучших материалов. Сосредоточив внимание на жидком слое, а не на поверхности материала, «это совершенно другой взгляд на эту проблему и открывает совершенно новое измерение, совершенно новую ось, вдоль которой мы можем изменить вещи и оптимизировать некоторые из них». эти скорости реакции».
Ссылка: «Усиление электрокатализа восстановления кислорода путем настройки межфазных водородных связей», авторы Тао Ван, Ируи Чжан, Ботао Хуанг, Бин Цай, Решма Р. Рао, Ливия Джордано, Ши-Ганг Сун и Ян Шао-Хорн, 6 сентября 2021 г., Природный катализ.
DOI: 10.1038/s41929-021-00668-0
В команду также входили Ботао Хуанг, Бин Цай и Ливия Джордано из Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института, а также Ши-Ганг Сунь из Сямэньского университета в Китае. Работа была поддержана Исследовательским институтом Toyota и использовала среду экстремальных наук и инженерии Национального научного фонда.
