Новый недорогой катализатор ускоряет производство кислорода из воды

Новый материал может заменить редкие металлы и привести к более экономичному производству углеродно-нейтрального топлива.

Дэвид Л. Чандлер MIT News Office

Дата публикации. 24 февраля 2022 года

ЗАПРОСЫ ПРЕССЫ

На иллюстрации изображена электрохимическая реакция, расщепляющая молекулы воды (слева, с атомом кислорода красным и двумя атомами водорода белым) на молекулы кислорода (справа), происходящая в структуре органических каркасов гидроксида металла команды, изображенных в виде решеток сверху и снизу.

Реквизит Изображение: предоставлено исследователями

Оригинал

Бумага: “Перестраиваемый гидроксид металла-органические рамки для катализа выделения кислорода”.

Электрохимическая реакция, которая расщепляет молекулы воды для получения кислорода, лежит в основе многочисленных подходов, направленных на производство альтернативных видов топлива для транспорта. Но эта реакция должна быть облегчена материалом катализатора, а современные версии требуют использования редких и дорогих элементов, таких как иридий, ограничивая потенциал такого производства топлива.

Теперь исследователи в Массачусетском технологическом институте и в других местах разработали совершенно новый тип каталитического материала, называемый гидроксид металла-органический каркас (MHOF), который изготовлен из недорогих и обильных компонентов. Семейство материалов позволяет инженерам точно настраивать структуру и состав катализатора в соответствии с потребностями конкретного химического процесса, и затем он может соответствовать или превосходить производительность обычных, более дорогих катализаторов.

Результаты описаны сегодня в журнале Nature Materialsв статье постдока MIT Шуая Юаня, аспиранта Цзяюй Пэна, профессора Яна Шао-Хорна, профессора Юрия Романа-Лешкова и девяти других.

Реакции выделения кислорода являются одной из реакций, общих для электрохимического производства топлива, химических веществ и материалов. Эти процессы включают в себя генерацию водорода в качестве побочного продукта выделения кислорода, который может использоваться непосредственно в качестве топлива или подвергаться химическим реакциям для получения другого транспортного топлива; производство аммиака для использования в качестве удобрения или химического сырья; и сокращение углекислого газа для контроля выбросов.

Но без посторонней помощи “эти реакции протекают вяло”, - говорит Шао-Хорн. “Для реакции с медленной кинетикой вы должны пожертвовать напряжением или энергией, чтобы повысить скорость реакции”. Из-за дополнительных затрат энергии “общая эффективность низкая. Вот почему люди используют катализаторы ”, - говорит она, поскольку эти материалы естественным образом способствуют реакциям, снижая энергозатраты.

Но до сих пор эти катализаторы “все полагались на дорогие материалы или поздние переходные металлы, которые очень дефицитны, например оксид иридия, и в сообществе предпринимались большие усилия, чтобы найти альтернативы на основе материалов, богатых Землей, которые имеют одинаковую производительность с точки зрения активности и стабильности”, - сказал Роман.- Говорит Лешков. Команда говорит, что они нашли материалы, которые обеспечивают именно эту комбинацию характеристик.

Другие команды исследовали использование гидроксидов металлов, таких как гидроксиды никеля и железа, говорит Роман-Лешков. Но такие материалы было трудно адаптировать к требованиям конкретных применений. Однако теперь “причина, по которой наша работа довольно захватывающая и весьма актуальна, заключается в том, что мы нашли способ адаптировать свойства путем наноструктурирования этих гидроксидов металлов уникальным способом”.

Команда позаимствовала результаты исследований, проведенных на родственном классе соединений, известных как металлоорганические каркасы (MOF), которые представляют собой своего рода кристаллическую структуру, состоящую из узлов оксида металла, связанных вместе с молекулами органического линкера. Заменив оксид металла в таких материалах определенными гидроксидами металлов, команда обнаружила, что стало возможным создавать точно перестраиваемые материалы, которые также обладали необходимой стабильностью, чтобы быть потенциально полезными в качестве катализаторов.

“Вы помещаете эти цепи этих органических линкеров рядом друг с другом, и они фактически направляют образование листов гидроксида металла, которые соединены с этими органическими линкерами, которые затем складываются и имеют более высокую стабильность”, - говорит Роман-Лешков. По его словам, это имеет множество преимуществ, позволяя точно контролировать наноструктурированный рисунок, позволяя точно контролировать электронные свойства металла, а также обеспечивая большую стабильность, позволяя им выдерживать длительные периоды использования.

При тестировании таких материалов исследователи обнаружили, что производительность катализаторов “удивительна”, говорит Шао-Хорн. “Он сравним с современными оксидными материалами, катализирующими реакцию выделения кислорода”.

Эти материалы, состоящие в основном из никеля и железа, должны быть как минимум в 100 раз дешевле существующих катализаторов, говорят они, хотя команда еще не провела полный экономический анализ.

Это семейство материалов “действительно предлагает новое пространство для настройки активных центров катализа расщепления воды для получения водорода с уменьшенным энергопотреблением”, - говорит Шао-Хорн, чтобы удовлетворить точные потребности любого данного химического процесса, где такие катализаторы необходимы.

Материалы могут обеспечить “в пять раз большую перестраиваемость”, чем существующие катализаторы на основе никеля, говорит Пэн, просто заменяя различные металлы вместо никеля в соединении. “Это потенциально может предложить много соответствующих возможностей для будущих открытий”. Материалы также могут быть изготовлены в виде чрезвычайно тонких листов, которые затем могут быть покрыты другим материалом, что еще больше снижает материальные затраты на такие системы.

До сих пор материалы были протестированы в небольших лабораторных испытательных устройствах, и теперь команда решает проблемы, пытаясь расширить процесс до коммерчески значимых масштабов, что все еще может занять несколько лет. Но идея имеет большой потенциал, говорит Шао-Хорн, чтобы помочь катализировать производство чистого водородного топлива без выбросов, чтобы “мы могли снизить стоимость водорода из этого процесса, не будучи ограниченными доступностью драгоценных металлов. Это важно, потому что нам нужны технологии производства водорода, которые могут масштабироваться ”.

В исследовательскую группу входили другие сотрудники Массачусетского технологического института, Стокгольмского университета в Швеции, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Института физики ионных пучков и исследований материалов в Дрездене, Германия. Работа была поддержана Исследовательским институтом Toyota.

Новый недорогой катализатор ускоряет производство кислорода из воды

Оригинал

ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ