Но ключевой этап этого процесса, известный как реакция выделения кислорода или OER, оказался узким местом. Сегодня его эффективность составляет всего около 75%, а катализаторы из драгоценных металлов, используемые для ускорения реакции, такие как платина и иридий, редки и дороги.
Теперь международная группа под руководством ученых из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики разработала набор передовых инструментов для преодоления этого узкого места и улучшения других процессов, связанных с энергией, таких как поиск способов зарядки литий-ионных аккумуляторов. Быстрее.
Команда исследователей сегодня рассказала о своей работе в журнале Nature.
Работая в Стэнфорде, SLAC, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Уорикском университете в Великобритании, они смогли приблизить отдельные наночастицы катализатора – в форме крошечных пластинок и примерно в 200 раз меньше красных кровяных телец – и наблюдайте, как они ускоряют выработку кислорода внутри изготовленных на заказ электрохимических ячеек, в том числе той, которая помещается в каплю воды.
Они обнаружили, что большая часть каталитической активности происходит на краях частиц, и они смогли наблюдать химические взаимодействия между частицей и окружающим электролитом в масштабе миллиардных долей метра, когда они увеличивали напряжение для запуска реакции.
Объединив свои наблюдения с предыдущими вычислительными работами, выполненными в сотрудничестве с SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis в SLAC и Стэнфорде, они смогли идентифицировать единственный этап реакции, который ограничивает ее скорость.
«Этот набор методов может рассказать нам, где, что и почему эти электрокаталитические материалы работают в реальных условиях эксплуатации», – сказал Тайлер Меффорд, научный сотрудник Стэнфордского и Стэнфордского институтов материаловедения и энергетики (SIMES) в SLAC, который руководил исследованием. "Теперь, когда мы обрисовали в общих чертах, как использовать эту платформу, приложения чрезвычайно широки."
Масштабирование до водородной экономики
Идея использования электричества для расщепления воды на кислород и водород возникла в 1800 году, когда два британских исследователя обнаружили, что они могут использовать электрический ток, генерируемый недавно изобретенной батареей Алессандро Вольта, для питания реакции.
Этот процесс, называемый электролизом, работает во многом как батарея в обратном направлении: вместо выработки электричества он использует электрический ток для разделения воды на водород и кислород.
Реакции, при которых образуется газообразный водород и кислород, происходят на разных электродах с использованием различных катализаторов из драгоценных металлов.
Газообразный водород является важным химическим сырьем для производства аммиака и рафинированной стали, и он все чаще используется в качестве чистого топлива для тяжелых транспортных средств и долгосрочного хранения энергии.
Но более 95% производимого сегодня водорода поступает из природного газа в результате реакций, в результате которых в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Производство водорода путем электролиза воды за счет электричества из солнечной, ветровой и других устойчивых источников позволит значительно сократить выбросы углерода в ряде важных отраслей промышленности.
Но для производства водородного топлива из воды в достаточно больших масштабах, чтобы обеспечить зеленую экономику, ученым придется сделать вторую половину реакции расщепления воды – ту, которая генерирует кислород – намного более эффективной, и найти способы сделать это. работать с катализаторами на основе гораздо более дешевых и более распространенных металлов, чем те, которые используются сегодня.
«В мире недостаточно драгоценных металлов, чтобы привести в действие эту реакцию в необходимом нам масштабе, – сказал Меффорд, – а их стоимость настолько высока, что производимый ими водород никогда не сможет конкурировать с водородом, полученным из ископаемого топлива."
Улучшение процесса потребует гораздо лучшего понимания того, как работают катализаторы расщепления воды, достаточно детального, чтобы ученые могли предсказать, что можно сделать для их улучшения. До сих пор многие из лучших методов проведения этих наблюдений не работали в жидкой среде электрокаталитического реактора.
В этом исследовании ученые нашли несколько способов обойти эти ограничения и получить более четкую картину, чем когда-либо прежде.
Новые способы слежки за катализаторами
Катализатором, который они выбрали для исследования, был оксигидроксид кобальта, который имел форму плоских шестигранных кристаллов, называемых нанопластинками.
Края были острыми и очень тонкими, поэтому можно было легко определить, происходит ли реакция на краях или на плоской поверхности.
Около десяти лет назад исследовательская группа Патрика Анвина из Университета Уорика изобрела новую технику помещения миниатюрной электрохимической ячейки внутрь наноразмерной капли, которая выступает из кончика пробирки для пипетки. Когда капля контактирует с поверхностью, устройство отображает топографию поверхности, а также электронные и ионные токи с очень высоким разрешением.
Для этого исследования команда Анвина адаптировала это крошечное устройство для работы в химической среде реакции выделения кислорода. Постдокторанты Минкьюнг Канг и Кэмерон Бентли перемещали его с места на место по поверхности единственной частицы катализатора во время реакции.
«Наша методика позволяет нам увеличивать масштаб, чтобы изучить чрезвычайно маленькие области реактивности», – сказал Канг, проводивший там эксперименты. "Мы рассматриваем производство кислорода в масштабе, более чем в сто миллионов раз меньшем, чем обычные методы."
Они обнаружили, что, как это часто бывает с каталитическими материалами, только края активно способствовали реакции, предполагая, что будущие катализаторы должны максимизировать этот вид острых тонких элементов.
Тем временем исследователь из Стэнфорда и SIMES Эндрю Акбашев с помощью электрохимической атомно-силовой микроскопии определил и визуализировал, как именно катализатор изменил форму и размер во время работы, и обнаружил, что реакции, которые первоначально переводили катализатор в его активное состояние, сильно отличаются от предполагавшихся ранее. Вместо того, чтобы протоны покидали катализатор, чтобы начать активацию, ионы гидроксида сначала вставляли себя в катализатор, образуя воду внутри частицы, которая заставляла ее набухать.
По мере того, как процесс активации продолжался, эта вода и остаточные протоны были вытеснены обратно.
В третьей серии экспериментов команда работала с Дэвидом Шапиро и Янг-Санг Ю из лаборатории Advanced Light Source в Беркли и с вашингтонской компанией Hummingbird Scientific над разработкой электрохимической проточной ячейки, которую можно было бы интегрировать в сканирующий рентгеновский аппарат. микроскоп.
Это позволило им составить карту степени окисления рабочего катализатора – химического состояния, связанного с каталитической активностью – на участках размером всего около 50 нанометров в диаметре.
«Теперь мы можем начать применять методы, которые мы разработали в этой работе, к другим электрохимическим материалам и процессам», – сказал Меффорд. «Мы также хотели бы изучить другие реакции, связанные с энергией, такие как быстрая зарядка электродов батареи, уменьшение углекислого газа для улавливания углерода и уменьшение кислорода, что позволяет нам использовать водород в топливных элементах."