前所未有的纳米尺度看反应限制产生清洁氢燃料的效率

泡泡板如催化剂颗粒

通过新的工具套件,科学家恰好发现了微小的板状催化剂颗粒在转化率 - 电催化细胞中氧气的演变 - 在前所未有的细节中进行了一系列。

从化石燃料转变为清洁的氢气经济将需要更便宜和更有效的方式来利用可再生电源来破坏水中的水和氧气。

但是该过程的一个关键步骤,称为氧气进化反应或oer,已被证明是一个瓶颈。今天它效率约为75%,贵金属催化剂用于加速反应,如铂和铱,是罕见的且昂贵的。

Now an international team led by scientists at Stanford University and the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory has developed a suite of advanced tools to break through this bottleneck and improve other energy-related processes, such as finding ways to make lithium-ion batteries charge faster. The research team described their work in自然2021年5月5日。

水分解板状催化剂颗粒

图示出了从六面,板状催化剂颗粒的边缘升高的氧气的泡沫,比红细胞小于红细胞,因为它采用称为oer的反应,该反应分配水分子并产生氧气。左边的小臂来自原子力显微镜。它是一批来自斯坦福,伯克利实验室和沃里克大学的研究人员的技术之一,共同研究了这一反应 - 在前所未有的细节中生产清洁氢气的关键步骤。同心环代表扫描变速器X射线显微镜的菲涅耳区板,用于在伯克利实验室的先进光源上映像该过程。信用:Cube3D图形

Working at Stanford, SLAC, DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and Warwick University in the UK, they were able to zoom in on individual catalyst nanoparticles – shaped like tiny plates and about 200 times smaller than a red blood cell – and watch them accelerate the generation of oxygen inside custom-made electrochemical cells, including one that fits inside a drop of water.

他们发现大多数催化活性发生在粒子的边缘,当他们提高电压来驱动反应时,他们能够观察到粒子和周围电解液之间十亿分之一米的化学相互作用。

通过将他们的观察与与Suncat界面科学和斯坦福州的界面科学和催化作用合作进行的现有计算工作,他们能够在反应中识别限制它可以进行的快速的反应中的单一步骤。

“这套方法可以告诉我们这些电气催化材料如何在现实的操作条件下工作的地点,何种方式,斯坦福和斯坦福材料和能源科学研究所(SIMES)的员工科学家泰勒Mefford说谁领导了研究。“现在我们已经概述了如何使用这个平台,应用程序非常广泛。”

扩大到氢气经济

用电将水分解为氧气和氢气的想法可以追溯到1800年,当时两名英国研究人员发现,他们可以利用亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)新发明的堆电池产生的电流为反应提供动力。

该过程称为电解,与反向电池相反,而不是发电,它使用电流将水分成氢气和氧气。产生氢气和氧气的反应在使用不同贵金属催化剂的不同电极上发生。

氢气是一种重要的化学原料,用于生产氨和精炼钢,越来越多地被瞄准重型运输和长期储能的清洁燃料。但是,今天生产的95%以上产生的氢来自天然气,通过将二氧化碳作为副产物发出的反应。通过从太阳能,风和其他可持续源的电力驱动的电解产生氢气电解将显着降低许多重要产业中的碳排放。

片状催化剂颗粒能分散水

该动画结合了微小的板状催化剂颗粒的图​​像,因为它采用分裂水的反应并产生氧气 - 用于生产氢燃料的清洁,可持续的方法的一部分。用斯坦福实验室中的原子力显微镜制成,图像揭示了催化剂如何改变形状和尺寸,因为它的操作 - 显示过程的化学化学的研究比以前的方式不同。yabovip2021信誉:Tyler Mefford和Andrew Akbashev / Stanford大学

但要生产从水的氢燃料,足够大的规模以动力为强大的绿色经济,科学家将不得不使另一半的水分裂反应 - 产生氧气的一半 - 更有效,找到使其工作的方法催化剂基于今天使用的更便宜和更丰富的金属。

“世界上没有足够的贵金属来在我们需要的规模中为这种反应提供动力,”梅福斯说:“他们的成本如此之高,它们产生的氢气永远不会与来自化石燃料的氢竞争。”

改善该过程需要更好地了解水分裂催化剂如何运作,以足够的细节,科学家可以预测可以做些什么来改善它们。到目前为止,许多用于使这些观察结果的最佳技术在电催化反应器的液体环境中不起作用。

在这项研究中,科学家们发现了几种克服这些限制的方法,从而得到比以往更清晰的图像。

监视催化剂的新方法

它们选择研究的催化剂是羟基氧化钴,其呈扁平,六面晶体的形式称为纳米孔。边缘尖锐且极薄,因此很容易区分是否在边缘或平坦表面上发生反应。

大约十年前,帕特里克·安文的研究小组沃里克大学发明了一种新的技术,用于将微型电化学电池放入纳米级液滴内的微型电化学电池从移液管的尖端突出。当液滴与表面接触时,器件通过非常高分辨率图像图像图像的地形和电子和离子电流。

对于这项研究,Unwin的团队改编了这种微小的装置在氧气进化反应的化学环境中工作。博士后研究人员Minkyung Kang和Cameron Bentley在发生反应发生时将其从一个催化剂颗粒的表面移动到放置。

“我们的技术允许我们放大研究极小的反应区域,”Kang说,他领导了那里的实验。“我们正在研究的制氧规模比一般技术小一亿多倍。”

他们发现,就像催化材料通常的情况一样,只有边缘在积极促进反应,这表明未来的催化剂应该最大限度地发挥这种尖锐、薄的特征。

与此同时,斯坦福大学和SIMES研究人员Andrew Akbashev使用电化学原子力显微镜精确地确定和可视化了催化剂在操作过程中是如何改变形状和大小的,并发现最初将催化剂改变为其活性状态的反应与之前的假设有很大不同。氢氧根离子首先插入到催化剂中,在粒子中形成水,使其膨胀,而不是离开催化剂的质子来激活催化剂。随着激活过程的继续,这些水和剩余的质子被赶了出来。

In a third set of experiments, the team worked with David Shapiro and Young-Sang Yu at Berkeley Lab’s Advanced Light Source and with a Washington company, Hummingbird Scientific, to develop an electrochemical flow cell that could be integrated into a scanning transmission X-ray microscope. This allowed them to map out the oxidation state of the working catalyst – a chemical state that’s associated with catalytic activity – in areas as small as about 50 nanometers in diameter.

“我们现在可以开始应用我们在这项工作中开发的技术走向其他电化学材料和流程,”Mefford说。“我们还想研究其他能源相关的反应,如电池电极的快速充电,碳捕获的二氧化碳减少和氧还原,这使我们能够在燃料电池中使用氢气。”

参考文献:J. Tyler Mefford, Andrew R. Akbashev, Minkyung Kang, Cameron L. Bentley, William E. Gent, Haitao D. Deng, Daan Hein Alsem, Young-Sang Yu, Norman J. Salmon, David A. Shapiro, Patrick R. Unwin and William C. Chueh, 2021年5月5日,自然
DOI:10.1038 / s41586-021-03454-x

先进的光源是科学用户设施的DOE办事处,这项研究的主要资金来自DOE科学办公室,包括蜂鸟科学的小型企业创新研究奖。该研究的部分是在斯坦福纳诺制备设施进行的。

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