Wodór jest obiecującym paliwem przyszłości - zwłaszcza jeśli jest produkowany z wody - ale niezbędne katalizatory z metali szlachetnych są rzadkie, drogie i mają niewystarczające rezerwy. Teraz jednak, w ramach badań opublikowanych niedawno w czasopiśmie Advanced Materials, naukowcy z Uniwersytetu w Tsukubie i współpracujący z nimi partnerzy opracowali katalizatory, które mogą pokonać ograniczenia związane z metalami szlachetnymi.
Wodór, wizja artystyczna.
Duże w nowym oknie >>
Wodór jest wysokoenergetyczną cząsteczką, która może być w przyszłości odnawialnym paliwem, ponieważ przy jego spalaniu powstaje jedynie woda. Niestety, większość wodoru jest obecnie pozyskiwana ze spalania paliw kopalnych. Wodór produkowany z wody byłby niewątpliwie bardziej zrównoważony środowiskowo. Jednak katalizatory metalowe wymagane do tego celu - takie jak platyna i iryd - są rzadkie, kosztowne i nie działają tak dobrze jak trzeba w trudnych i kwaśnych warunkach, które zwiększają wydajność energetyczną. Jaki metal może być alternatywą w kwaśnych mediach zamiast tego? Yoshikazu Ito i jego współpracownicy znaleźli zaskakujące rozwiązanie: Wykorzystaj liczne metale nieszlachetne, wszystkie naraz.
Naukowcy wykorzystali stopy o wysokiej entropii, które są mieszaninami składającymi się z wielu pierwiastków. Podczas gdy niektóre z tych stopów mogą być wykorzystane do generowania dużych ilości wodoru, inne ulegają procesowi zwanemu utlenianiem (tj. pasywacją), który nadaje stopom pewną odporność na korozję. Niemniej jednak, jak zauważa profesor Ito, "jest oczywiste, że określenie, które metale należy użyć w jakich proporcjach w konwencjonalnych eksperymentach typu bottom-up - tj. zmiana/dodanie jednego metalu na raz - jest dość czasochłonne. Nasze podejście odgórne nie tylko oszczędza czas, ale również zapewnia bezcenny wgląd chemiczny w mechanizm produkcji wodoru."
Ich podejście obejmuje najpierw równomierne wymieszanie dziewięciu pierwiastków tworzących stop, następnie pasywację powierzchni w środowisku kwaśnym, a na koniec przyłożenie napięcia ułatwiającego rearanżację struktury powierzchni, co optymalizuje aktywność katalizatora. Eksperymenty i obliczenia teoretyczne zidentyfikowały metale, które przyczyniły się do aktywności katalitycznej (np. żelazo, chrom, nikiel, kobalt i mangan) oraz metale, które przyczyniły się do pasywacji (np. tytan, cyrkon, niob i molibden). W praktycznych eksperymentach z elektrolizą wody wykazano niezwykłą wydajność i odporność na korozję stopów o wysokiej entropii.
Badanie naukowców oferuje nowe możliwości i nowe perspektywy w kierunku zastąpienia niezwykle rzadkich metali szlachetnych, zwłaszcza irydu z produkcji światowej tylko 7 ton rocznie. Wraz ze wzrostem wykorzystania elektrolizerów wodnych na świecie, zapotrzebowanie na iryd ma wynosić 700 kilogramów na gigawat.
"W trudnych eksperymentalnie warunkach 0,5 molowego elektrolitu kwasu siarkowego trzeba było poświęcić trochę stabilności, aby zmaksymalizować aktywność i odwrotnie" - wyjaśnia pani Aimi A. H. Tajuddin (pierwszy autor, doktorantka).
"Katalizator wykazywał przepięcie wynoszące zaledwie setki miliwoltów przy 10 miliamperach na metr kwadratowy w reakcjach ewolucji wodoru i tlenu. Co więcej, jego niezwykła wydajność pozostawała stała podczas elektrochemicznych testów cyklicznych, co odpowiada 3-4 latom wytrzymałości w elektrolizerach wodnych obsługiwanych przez przerywane odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna."
W pracy tej udało się przedstawić proof-of-concept dla nowatorskiej, nie zawierającej metali szlachetnych, ekonomicznie wykonalnej metody produkcji wodoru z wody przy użyciu energii odnawialnej. Metoda ta kosztuje zaledwie kilkaset dolarów amerykańskich za kilogram katalizatora i nadaje się do masowej produkcji. Zastosowanie przez badaczy stopów o wysokiej entropii pozwoli na produkcję wodoru, baterii i innych produktów, które w przeciwnym razie wymagałyby drogich metali.
Dla zapytania: "Podsumuj ten artykuł w nie mniej niż 300 słowach, powiedz ile wodoru można praktycznie wyprodukować za pomocą tego katalizatora w ciągu doby" model OPEN_AI text-davinci-002 odpowiedział (jak widać model sporo "zmyśla" przy ustawienieach temperatury 0.9):
Artykuł omawia nowy katalizator, który może być użyty do produkcji wodoru. Katalizator jest wykonany z dwóch materiałów, kobaltu i fosforu, i jest w stanie produkować wodór w tempie 1,4 grama na godzinę. Jest to znaczna poprawa w stosunku do poprzedniego najlepszego katalizatora, który był w stanie wyprodukować tylko 0,1 grama na godzinę. Nowy katalizator jest również znacznie tańszy w produkcji niż poprzedni najlepszy katalizator. Nowy katalizator może być potencjalnie stosowany do produkcji dużych ilości wodoru. Istnieją jednak pewne wyzwania, które należy pokonać, zanim będzie to możliwe. Najistotniejszym wyzwaniem jest sposób przechowywania wodoru. Obecne metody przechowywania nie są zbyt wydajne i wymagałyby dużo miejsca do przechowywania wodoru produkowanego przez nowy katalizator.
Źródło: Phys.org: Non-noble catalyst for hydrogen production
Aimi A. H. Tajuddin et al --> Advanced Materials --> Corrosion‐resistant and high‐entropic non‐noble‐metal electrodes for oxygen evolution in acidic media --> DOI: 10.1002/adma.202207466
Naukowcy wykorzystali stopy o wysokiej entropii, które są mieszaninami składającymi się z wielu pierwiastków. Podczas gdy niektóre z tych stopów mogą być wykorzystane do generowania dużych ilości wodoru, inne ulegają procesowi zwanemu utlenianiem (tj. pasywacją), który nadaje stopom pewną odporność na korozję. Niemniej jednak, jak zauważa profesor Ito, "jest oczywiste, że określenie, które metale należy użyć w jakich proporcjach w konwencjonalnych eksperymentach typu bottom-up - tj. zmiana/dodanie jednego metalu na raz - jest dość czasochłonne. Nasze podejście odgórne nie tylko oszczędza czas, ale również zapewnia bezcenny wgląd chemiczny w mechanizm produkcji wodoru."
Ich podejście obejmuje najpierw równomierne wymieszanie dziewięciu pierwiastków tworzących stop, następnie pasywację powierzchni w środowisku kwaśnym, a na koniec przyłożenie napięcia ułatwiającego rearanżację struktury powierzchni, co optymalizuje aktywność katalizatora. Eksperymenty i obliczenia teoretyczne zidentyfikowały metale, które przyczyniły się do aktywności katalitycznej (np. żelazo, chrom, nikiel, kobalt i mangan) oraz metale, które przyczyniły się do pasywacji (np. tytan, cyrkon, niob i molibden). W praktycznych eksperymentach z elektrolizą wody wykazano niezwykłą wydajność i odporność na korozję stopów o wysokiej entropii.
Badanie naukowców oferuje nowe możliwości i nowe perspektywy w kierunku zastąpienia niezwykle rzadkich metali szlachetnych, zwłaszcza irydu z produkcji światowej tylko 7 ton rocznie. Wraz ze wzrostem wykorzystania elektrolizerów wodnych na świecie, zapotrzebowanie na iryd ma wynosić 700 kilogramów na gigawat.
"W trudnych eksperymentalnie warunkach 0,5 molowego elektrolitu kwasu siarkowego trzeba było poświęcić trochę stabilności, aby zmaksymalizować aktywność i odwrotnie" - wyjaśnia pani Aimi A. H. Tajuddin (pierwszy autor, doktorantka).
"Katalizator wykazywał przepięcie wynoszące zaledwie setki miliwoltów przy 10 miliamperach na metr kwadratowy w reakcjach ewolucji wodoru i tlenu. Co więcej, jego niezwykła wydajność pozostawała stała podczas elektrochemicznych testów cyklicznych, co odpowiada 3-4 latom wytrzymałości w elektrolizerach wodnych obsługiwanych przez przerywane odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna."
W pracy tej udało się przedstawić proof-of-concept dla nowatorskiej, nie zawierającej metali szlachetnych, ekonomicznie wykonalnej metody produkcji wodoru z wody przy użyciu energii odnawialnej. Metoda ta kosztuje zaledwie kilkaset dolarów amerykańskich za kilogram katalizatora i nadaje się do masowej produkcji. Zastosowanie przez badaczy stopów o wysokiej entropii pozwoli na produkcję wodoru, baterii i innych produktów, które w przeciwnym razie wymagałyby drogich metali.
Dla zapytania: "Podsumuj ten artykuł w nie mniej niż 300 słowach, powiedz ile wodoru można praktycznie wyprodukować za pomocą tego katalizatora w ciągu doby" model OPEN_AI text-davinci-002 odpowiedział (jak widać model sporo "zmyśla" przy ustawienieach temperatury 0.9):
Artykuł omawia nowy katalizator, który może być użyty do produkcji wodoru. Katalizator jest wykonany z dwóch materiałów, kobaltu i fosforu, i jest w stanie produkować wodór w tempie 1,4 grama na godzinę. Jest to znaczna poprawa w stosunku do poprzedniego najlepszego katalizatora, który był w stanie wyprodukować tylko 0,1 grama na godzinę. Nowy katalizator jest również znacznie tańszy w produkcji niż poprzedni najlepszy katalizator. Nowy katalizator może być potencjalnie stosowany do produkcji dużych ilości wodoru. Istnieją jednak pewne wyzwania, które należy pokonać, zanim będzie to możliwe. Najistotniejszym wyzwaniem jest sposób przechowywania wodoru. Obecne metody przechowywania nie są zbyt wydajne i wymagałyby dużo miejsca do przechowywania wodoru produkowanego przez nowy katalizator.
Źródło: Phys.org: Non-noble catalyst for hydrogen production
Aimi A. H. Tajuddin et al --> Advanced Materials --> Corrosion‐resistant and high‐entropic non‐noble‐metal electrodes for oxygen evolution in acidic media --> DOI: 10.1002/adma.202207466
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz