Ця діаграма ілюструє новий процес підвищення швидкості реакції в електрокаталітичному процесі. Шар каталізатора, виготовлений із золота або платини, показаний у вигляді сірих сфер унизу, а матеріал, який буде каталізуватися, показаний у вигляді радіальних сфер у верхній частині. Додавання шару іонної рідини між ними, показаного як гексагональні решітки, може збільшити швидкість реакції в п’ять разів. Ліворуч показано деталі того, як кисень (червоний) і водень (зелений) можуть поєднуватися, утворюючи воду з підвищеною швидкістю в результаті цього процесу. Авторство: надано дослідниками, за редакцією MIT News
Зроблення каталітичних поверхонь активнішими для декарбонізації палива та хімікатів
Новий підхід підвищує ефективність хімічних реакцій, які є ключовими для багатьох промислових процесів.
Електрохімічні реакції, які прискорюються за допомогою каталізаторів, лежать в основі багатьох процесів виготовлення та використання палива, хімікатів і матеріалів, зокрема зберігання електроенергії з відновлюваних джерел енергії в хімічних зв’язках, що є важливою можливістю для декарбонізації транспортного палива. Тепер дослідження на MIT може відкрити двері для способів зробити певні каталізатори більш активними, і таким чином підвищити ефективність таких процесів.
Новий виробничий процес дав каталізатори, які підвищили ефективність хімічних реакцій у п’ять разів, потенційно уможлививши нові корисні процеси в біохімії, органічній хімії, хімії навколишнього середовища та електрохімії. Висновки описані в журналі Природний каталіз, у статті Ян Шао-Хорна, професора машинобудування та матеріалознавства та інженерії Массачусетського технологічного інституту, а також члена Дослідницької лабораторії електроніки (RLE); Тао Ван, постдокторант RLE; Yirui Zhang, аспірант кафедри машинобудування; і п'ять інших.
Процес передбачає додавання шару так званої іонної рідини між золотим або платиновим каталізатором і хімічною сировиною. Каталізатори, виготовлені за допомогою цього методу, потенційно можуть забезпечити набагато ефективніше перетворення водневого палива для енергетичних пристроїв, таких як паливні елементи, або більш ефективне перетворення вуглекислого газу в паливо.
«Існує нагальна потреба декарбонізувати те, як ми живимо транспорт, окрім легких транспортних засобів, як ми виробляємо паливо та як ми виробляємо матеріали та хімікати», — каже Шао-Хорн, наголошуючи на гострому заклику зменшити викиди вуглецю, висвітленому в останній IPCC. звіт про зміну клімату. Цей новий підхід до посилення каталітичної активності може стати важливим кроком у цьому напрямку, каже вона.
Використання водню в електрохімічних пристроях, таких як паливні елементи, є одним з перспективних підходів до декарбонізації галузей, таких як авіація та важкі транспортні засоби, і новий процес може допомогти зробити таке використання практичним. В даний час реакція відновлення кисню, яка живить такі паливні елементи, обмежена своєю неефективністю. Попередні спроби підвищити цю ефективність були зосереджені на виборі різних матеріалів каталізатора або модифікації їх складу та структури поверхні.
Однак у цьому дослідженні замість модифікації твердих поверхонь команда додала тонкий шар між каталізатором і електролітом, активним матеріалом, який бере участь у хімічній реакції. Вони виявили, що шар іонної рідини регулює активність протонів, які допомагають збільшити швидкість хімічних реакцій, що відбуваються на поверхні розділу.
Оскільки існує велика різноманітність таких іонних рідин на вибір, можна «налаштувати» протонну активність і швидкість реакції відповідно до енергії, необхідної для процесів, пов’язаних з перенесенням протонів, які можна використовувати для виробництва палива та хімічних речовин через реакції з киснем. .
«Активність протонів і бар’єр для перенесення протонів регулюються шаром іонної рідини, і тому існує велика можливість налаштування з точки зору каталітичної активності для реакцій, що включають перенесення протонів і електронів», — каже Шао-Хорн. Ефект створюється зникаючим тонким шаром рідини, товщиною всього в кілька нанометрів, над яким знаходиться набагато товщий шар рідини, що піддається реакції.
«Я вважаю, що ця концепція є новою та важливою, — каже Ван, перший автор статті, — тому що люди знають, що активність протонів важлива в багатьох електрохімічних реакціях, але її дуже складно вивчати». Це тому, що у водному середовищі існує так багато взаємодій між сусідніми молекулами води, що дуже важко відокремити, які реакції відбуваються. Використовуючи іонну рідину, кожен з іонів якої може утворювати лише одинарний зв’язок із проміжним матеріалом, стало можливим детально вивчити реакції за допомогою інфрачервоної спектроскопії.
У результаті Ван каже: «Наше відкриття підкреслює критичну роль, яку міжфазні електроліти, зокрема міжмолекулярні водневі зв’язки, можуть відігравати в посиленні активності електрокаталітичного процесу. Він також дає фундаментальне розуміння механізмів перенесення протонів на квантово-механічному рівні, що може розширити межі знання того, як протони та електрони взаємодіють на каталітичних інтерфейсах».
«Робота також захоплююча, оскільки вона дає людям принцип проектування, як вони можуть налаштувати каталізатори», — каже Чжан. «Нам потрібні деякі види прямо в «солодкій точці» — не надто активні чи надто інертні — щоб підвищити швидкість реакції».
За словами Решми Рао, яка нещодавно закінчила докторську дисертацію в Массачусетському технологічному інституті, а тепер є постдокторантом в Імперському коледжі в Лондоні та є співавтором статті, за словами Решми Рао, «ми бачимо збільшення активності до п’яти разів. Я вважаю, що найбільш захоплююча частина цього дослідження полягає в тому, що воно відкриває абсолютно новий вимір у нашому уявленні про каталіз». За її словами, ця галузь зіткнулася зі «своєрідним перешкодою», — каже вона, у пошуках способів розробки кращих матеріалів. Зосереджуючись на рідкому шарі, а не на поверхні матеріалу, «це зовсім інший погляд на цю проблему, і відкривається абсолютно новий вимір, абсолютно нова вісь, уздовж якої ми можемо змінити речі та оптимізувати деякі ці швидкості реакції».
Довідка: «Посилення електрокаталізу відновлення кисню шляхом налаштування міжфазних водневих зв’язків» Тао Вана, Іруй Чжана, Ботао Хуанга, Бінь Цая, Решми Р. Рао, Лівії Джордано, Ши-Ганг Сун і Ян Шао-Хорна, 6 вересня 2021 р., Природний каталіз.
DOI: 10.1038/s41929-021-00668-0
До команди також увійшли Ботао Хуанг, Бін Цай і Лівія Джордано з Науково-дослідницької лабораторії електроніки Массачусетського технологічного інституту та Ши-Ган Сунь з Університету Сямень у Китаї. Робота була підтримана Науково-дослідним інститутом Toyota і використовувала екстремальне науково-технічне середовище Національного наукового фонду.
