Films op nanoschaal werpen licht op één barrière voor een schone energietoekomst

Als er niets aan wordt gedaan, kan corrosie auto’s en leidingen doen roesten, gebouwen en bruggen verwoesten en onze monumenten aanvreten. Corrosie kan ook apparaten beschadigen die van cruciaal belang kunnen zijn voor een schone energietoekomst. En nu hebben onderzoekers van Duke University extreme close-ups gemaakt van dat proces in actie.

“Door te bestuderen hoe en waarom apparaten voor hernieuwbare energie in de loop van de tijd kapot gaan, kunnen we mogelijk hun levensduur verlengen”, zegt hoogleraar scheikunde en senior auteur Ivan Moreno-Hernandez.

In zijn laboratorium bij Duke staat een miniatuurversie van zo’n apparaat. Het wordt een elektrolyseur genoemd en scheidt waterstof uit water, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om de reactie aan te drijven.

Wanneer de elektriciteit voor de elektrolyse afkomstig is van hernieuwbare bronnen zoals wind- of zonne-energie, wordt het waterstofgas dat het produceert beschouwd als een veelbelovende bron van schone brandstof, omdat er geen fossiele brandstoffen nodig zijn om te produceren en het verbrandt zonder enige planeetverwarmende kooldioxide te creëren. .

Een aantal landen heeft plannen om hun productie van zogenaamde ‘groene waterstof’ op te schalen om hun afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te helpen terugdringen, vooral in sectoren als de staal- en cementproductie.

Maar voordat waterstof mainstream kan worden, moeten er een aantal grote obstakels worden overwonnen.

Een deel van het probleem is dat elektrolysers katalysatoren van zeldzame metalen nodig hebben om te kunnen functioneren, en deze zijn gevoelig voor corrosie. Ze zijn na een jaar in bedrijf niet meer hetzelfde als in het begin.

In een studie gepubliceerd op 10 april in de Tijdschrift van de American Chemical Society, Moreno-Hernandez en zijn Ph.D. student Avery Vigil gebruikte een techniek genaamd vloeistoffase-transmissie-elektronenmicroscopie om de complexe chemische reacties te bestuderen die plaatsvinden tussen deze katalysatoren en hun omgeving, waardoor ze vervallen.

Je herinnert je misschien nog van de middelbare school dat om waterstofgas te maken, een elektrolysator water splitst in de samenstellende waterstof- en zuurstofmoleculen. Voor de huidige studie concentreerde het team zich op een katalysator genaamd rutheniumdioxide die de zuurstofhelft van de reactie versnelt, omdat dat het knelpunt in het proces is.

“We hebben deze materialen in wezen aan een stresstest onderworpen”, zei Vigil.

Ze zapten nanokristallen van rutheniumdioxide af met hoogenergetische straling en keken vervolgens naar de veranderingen die teweeggebracht werden door de zure omgeving in de cel.

Om foto’s van zulke kleine objecten te maken, gebruikten ze een transmissie-elektronenmicroscoop, die een elektronenbundel door nanokristallen schiet die in een superdunne zak vloeistof hangen om time-lapse-beelden te creëren van de chemie die plaatsvindt met 10 frames per seconde.

Het resultaat: desktopwaardige close-ups van kristallen ter grootte van een virus, meer dan duizend keer fijner dan een mensenhaar, terwijl ze worden geoxideerd en oplossen in de zure vloeistof eromheen.

“We kunnen het proces van deze katalysator daadwerkelijk zien afbreken met een resolutie op nanoschaal”, zei Moreno-Hernandez.

In de loop van vijf minuten braken de kristallen snel genoeg af om “een echt apparaat binnen enkele uren onbruikbaar te maken”, zei Vigil.

Honderdduizenden keren ingezoomd onthullen de video’s subtiele defecten in de 3D-vormen van de kristallen die spanningsgebieden veroorzaken, waardoor sommige sneller kapot gaan dan andere.

Door dergelijke onvolkomenheden te minimaliseren, zeggen de onderzoekers dat het op een dag mogelijk zou kunnen zijn om apparaten voor hernieuwbare energie te ontwerpen die twee tot drie keer langer meegaan dan nu.

“Dus in plaats van bijvoorbeeld twee jaar stabiel te zijn, zou een elektrolysator zes jaar mee kunnen gaan. Dat zou een enorme impact kunnen hebben op hernieuwbare technologieën”, zei Moreno-Hernandez.