Команда создает карту производства экологически чистых металлов
Новое понимание электролиза металлов может помочь оптимизировать производство таких металлов, как литий и железо.
Жаклин Лунгер является первым автором статьи, в которой подробно описываются реакции — на атомном уровне — за экологически чистым способом получения металлов.
В работе, которая может привести к более эффективным, экологически чистым процессам производства важных металлов, таких как литий, железо и кобальт, исследователи из Массачусетского технологического института и Национальной ускорительной лаборатории SLAC нанесли на карту то, что происходит на атомном уровне за особенно многообещающим подходом, называемым электролизом металлов.
Создавая карты для широкого спектра металлов, они не только определили, какие металлы легче всего производить с использованием этого подхода, но и выявили фундаментальные барьеры для эффективного производства других. В результате карта исследователей может стать важным инструментом проектирования для оптимизации производства всех этих металлов.
Работа также может помочь в разработке металл-воздушных батарей, друзей литий-ионных батарей, используемых в современных электромобилях.
Большинство металлов, ключевых для общества сегодня, производятся с использованием ископаемого топлива. Эти виды топлива генерируют высокие температуры, необходимые для превращения исходной руды в очищенный металл. Но этот процесс является значительным источником парниковых газов - только на сталь приходится около 7 процентов выбросов углекислого газа в мире. В результате исследователи со всего мира работают над выявлением более экологичных способов производства металлов.
Одним из перспективных подходов является электролиз металла, при котором оксид металла, руда, заряжается электричеством для создания чистого металла с кислородом в качестве побочного продукта. Это реакция, изученная на атомном уровне в новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала Chemistry of Materials от 8 апреля.
Дональд Сигел является заведующим кафедрой и профессором машиностроения в Техасском университете в Остине. Говорит Сигел, который не участвовал в изучении химии материалов: "Эта работа является важным вкладом в повышение эффективности производства металлов из оксидов металлов. Это проясняет наше понимание процессов электролиза с низким содержанием углерода, прослеживая основную термодинамику до элементарных взаимодействий металла и кислорода. Я ожидаю, что эта работа поможет в создании правил проектирования, которые сделают эти промышленно важные процессы менее зависимыми от ископаемого топлива ”.
Ян Шао-Хорн, младший восточный профессор инженерии в отделе материаловедения и инженерии MIT (DMSE) и отделе машиностроения, является лидером текущей работы с Михалом Байдичем из SLAC.
“Здесь мы стремимся установить некоторое базовое понимание для прогнозирования эффективности электрохимического производства металлов и металл-воздушных батарей на основе изучения вычисленных термодинамических барьеров для преобразования между металлом и оксидами металлов”, - говорит Шао-Хорн, который входит в исследовательскую группу нового Центра электрификации и декарбонизации промышленности MIT.победитель первого в истории конкурса Climate Grand Challenges Института. Шао-Хорн также связан с лабораторией исследований материалов MIT и Исследовательской лабораторией электроники.
Помимо Шао-Хорна и Байдича, другими авторами статьи "Химия материалов" являются Жаклин Р. Лунгер, первый автор и аспирант DMSE; старший инженер машиностроения Наоми Лутц; и аспирант DMSE Цзяюй Пэн.
Работа также может помочь в разработке металл-воздушных батарей, таких как литий-воздушные, алюминиево-воздушные и цинково-воздушные батареи. Эти кузены литий-ионных батарей, используемых в современных электромобилях, имеют потенциал для электрификации авиации, потому что их плотность энергии намного выше. Однако они еще не представлены на рынке из-за множества проблем, включая неэффективность.
Зарядка металл-воздушных аккумуляторов также включает электролиз. В результате новое понимание этих реакций на атомном уровне может не только помочь инженерам разработать эффективные электрохимические маршруты для производства металлов, но и разработать более эффективные металл-воздушные батареи.
Электролиз также используется для разделения воды на кислород и водород, в котором хранится полученная энергия. Именно водород, в свою очередь, может стать экологичной альтернативой ископаемому топливу. Поскольку гораздо больше известно об электролизе воды, в центре внимания работы Байдича в SLAC, чем об электролизе оксидов металлов, команда впервые сравнила два процесса.
Результат: “Медленно мы раскрыли элементарные шаги, связанные с электролизом металла”, - говорит Байдич. Работа была сложной, говорит Лунгер, потому что “нам было неясно, что это за шаги. Нам нужно было выяснить, как добраться от А до Б” или от оксида металла до металла и кислорода.
Все работы проводились с помощью суперкомпьютерного моделирования. “Это как песочница атомов, а потом мы играем с ними. Это немного похоже на Legos ”, - говорит Байдич. Более конкретно, команда исследовала различные сценарии электролиза нескольких металлов. В каждом из них задействованы разные катализаторы, молекулы, которые повышают скорость реакции.
Говорит Лунгер: “Чтобы оптимизировать реакцию, вы хотите найти катализатор, который делает ее наиболее эффективной”. Карта команды - это, по сути, руководство по разработке лучших катализаторов для каждого отдельного металла.
Что дальше? Лунгер отметил, что текущая работа сосредоточена на электролизе чистых металлов. “Мне интересно посмотреть, что происходит в более сложных системах, включающих несколько металлов. Можете ли вы сделать реакцию более эффективной, если в ней присутствуют натрий и литий или кадмий и цезий?”
Эта работа была поддержана премией Министерства энергетики США за научные исследования аспирантов. Она также была поддержана стипендией MIT Energy Initiative, Исследовательским институтом Toyota в рамках Программы ускоренного проектирования и открытия материалов, научной программой катализа Министерства энергетики, Управлением фундаментальных энергетических наук и Программой дифференциации через Агентство перспективных исследовательских проектов США — Energy.
ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:
БУМАГА
Статья: "Катионзависимая многоэлектронная кинетика расщепления оксида металла"
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ
- Ян Шао-Хорн
- Центр электрификации и декарбонизации промышленности
- Лаборатория исследований материалов
- Научно-исследовательская лаборатория электроники
- Кафедра материаловедения и инженерии
- Кафедра машиностроения
- Инженерная школа