Kijk eerst op nanoschaal naar een reactie die de efficiëntie van het genereren van schone waterstof als brandstof beperkt

De overgang van fossiele brandstoffen naar een schone waterstofeconomie vereist goedkopere en efficiëntere manieren om hernieuwbare elektriciteitsbronnen te gebruiken om water om te zetten in waterstof en zuurstof.

Maar een belangrijke stap in dat proces, bekend als de zuurstofevolutiereactie of OER, blijkt een bottleneck te zijn. Tegenwoordig is het slechts ongeveer 75% efficiënt, en de edelmetaalkatalysatoren die worden gebruikt om de reactie te versnellen, zoals platina en iridium, zijn zeldzaam en duur.

Nu heeft een internationaal team onder leiding van wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een reeks geavanceerde tools ontwikkeld om dit knelpunt te doorbreken en andere energiegerelateerde processen te verbeteren, zoals manieren vinden om lithium-ionbatterijen op te laden sneller. Het onderzoeksteam beschreef hun werk vandaag in Nature.

Ze werkten bij Stanford, SLAC, het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van DOE en Warwick University in het VK en konden inzoomen op individuele katalysator-nanodeeltjes – in de vorm van kleine plaatjes en ongeveer 200 keer kleiner dan een rode bloedcel – en kijken ze versnellen de aanmaak van zuurstof in op maat gemaakte elektrochemische cellen, waaronder een die in een druppel water past.

Ze ontdekten dat de meeste katalytische activiteit plaatsvond op de randen van deeltjes, en ze waren in staat om de chemische interacties tussen het deeltje en de omringende elektrolyt op een schaal van miljardsten van een meter waar te nemen terwijl ze de spanning verhoogden om de reactie aan te drijven. .

Door hun observaties te combineren met eerder computationeel werk uitgevoerd in samenwerking met het SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis aan SLAC en Stanford, waren ze in staat om een ​​enkele stap in de reactie te identificeren die de snelheid beperkt.

“Deze reeks methoden kan ons vertellen waar, wat en waarom van hoe deze elektrokatalytische materialen werken onder realistische bedrijfsomstandigheden”, zegt Tyler Mefford, een stafwetenschapper bij Stanford en het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC, die leidde het onderzoek. “Nu we hebben geschetst hoe we dit platform kunnen gebruiken, zijn de toepassingen extreem breed.”

Opschalen naar een waterstofeconomie

Het idee om elektriciteit te gebruiken om water af te breken in zuurstof en waterstof dateert uit 1800, toen twee Britse onderzoekers ontdekten dat ze elektrische stroom konden gebruiken die werd opgewekt door de nieuw uitgevonden stapelbatterij van Alessandro Volta om de reactie van stroom te voorzien.

Dit proces, elektrolyse genaamd, werkt net als een omgekeerde batterij: in plaats van elektriciteit op te wekken, gebruikt het elektrische stroom om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De reacties die waterstof en zuurstofgas genereren, vinden plaats op verschillende elektroden met behulp van verschillende edelmetaalkatalysatoren.

Waterstofgas is een belangrijke chemische grondstof voor de productie van ammoniak en het raffineren van staal, en wordt in toenemende mate gebruikt als schone brandstof voor zwaar transport en langdurige energieopslag. Maar meer dan 95% van de waterstof die tegenwoordig wordt geproduceerd, is afkomstig van aardgas via reacties waarbij kooldioxide als bijproduct wordt uitgestoten. Het genereren van waterstof door middel van waterelektrolyse aangedreven door elektriciteit uit zon, wind en andere duurzame bronnen zou de koolstofemissies in een aantal belangrijke industrieën aanzienlijk verminderen.

Maar om waterstof als brandstof uit water te produceren op een schaal die groot genoeg is om een ​​groene economie van stroom te voorzien, zullen wetenschappers de andere helft van de watersplitsingsreactie – degene die zuurstof genereert – veel efficiënter moeten maken en manieren moeten vinden om het te laten werken. met katalysatoren op basis van veel goedkopere en overvloedigere metalen dan die tegenwoordig worden gebruikt.

“Er zijn niet genoeg edelmetalen in de wereld om deze reactie op de schaal die we nodig hebben aan te drijven”, zei Mefford, “en hun kosten zijn zo hoog dat de waterstof die ze genereren nooit zou kunnen concurreren met waterstof afkomstig van fossiele brandstoffen.”

Om het proces te verbeteren, is een veel beter begrip nodig van de werking van watersplitsende katalysatoren, zo gedetailleerd dat wetenschappers kunnen voorspellen wat er kan worden gedaan om ze te verbeteren. Tot nu toe werkten veel van de beste technieken om deze waarnemingen te doen niet in de vloeibare omgeving van een elektrokatalytische reactor.

In deze studie hebben wetenschappers verschillende manieren gevonden om die beperkingen te omzeilen en een scherper beeld te krijgen dan ooit tevoren.

Nieuwe manieren om katalysatoren te bespioneren

De katalysator die ze kozen om te onderzoeken, was kobaltoxyhydroxide, dat kwam in de vorm van platte, zeszijdige kristallen, nanoplaatjes genaamd. De randen waren scherp en extreem dun, dus het was gemakkelijk te onderscheiden of er een reactie plaatsvond op de randen of op het vlakke oppervlak.

Ongeveer tien jaar geleden had de onderzoeksgroep van Patrick Unwin aan de Universiteit van Warwick een nieuwe techniek uitgevonden om een ​​elektrochemische miniatuurcel in een druppel op nanoschaal te plaatsen die uit de punt van een pipetbuisje steekt. Wanneer de druppel in contact wordt gebracht met een oppervlak, brengt het apparaat de topografie van het oppervlak en elektronische en ionenstromen in beeld met een zeer hoge resolutie.

Voor deze studie heeft het team van Unwin dit kleine apparaatje aangepast om te werken in de chemische omgeving van de zuurstofevolutie-reactie. Postdoctorale onderzoekers Minkyung Kang en Cameron Bentley verplaatsten het van plaats naar plaats over het oppervlak van een enkel katalysatordeeltje terwijl de reactie plaatsvond.

“Onze techniek stelt ons in staat om in te zoomen om extreem kleine reactiviteitsgebieden te bestuderen”, zei Kang, die de experimenten daar leidde. “We kijken naar zuurstofopwekking op een schaal die meer dan honderd miljoen keer kleiner is dan bij typische technieken.”

Ze ontdekten dat, zoals vaak het geval is voor katalytische materialen, alleen de randen de reactie actief bevorderden, wat suggereert dat toekomstige katalysatoren dit soort scherpe, dunne kenmerken zouden moeten maximaliseren.

Ondertussen gebruikten Stanford en SIMES-onderzoeker Andrew Akbashev elektrochemische atomaire krachtmicroscopie om precies te bepalen en visualiseren hoe de katalysator van vorm en afmeting veranderde tijdens het gebruik, en ontdekten dat de reacties die de katalysator aanvankelijk in zijn actieve toestand veranderden veel anders waren dan eerder werd aangenomen. . In plaats van dat protonen de katalysator verlaten om de activering op gang te brengen, worden hydroxide-ionen eerst in de katalysator ingebracht en vormen ze water in het deeltje waardoor het opzwelt. Naarmate het activeringsproces vorderde, werden dit water en de resterende protonen teruggedreven.

In een derde reeks experimenten werkte het team samen met David Shapiro en Young-Sang Yu van Berkeley Lab’s Advanced Light Source en met een bedrijf uit Washington, Hummingbird Scientific, om een ​​elektrochemische stroomcel te ontwikkelen die kan worden geïntegreerd in een scan-transmissie-röntgenfoto. microscoop. Hierdoor konden ze de oxidatietoestand van de werkende katalysator in kaart brengen – een chemische toestand die wordt geassocieerd met katalytische activiteit – in gebieden met een diameter van slechts ongeveer 50 nanometer.

“We kunnen nu de technieken die we in dit werk hebben ontwikkeld, toepassen op andere elektrochemische materialen en processen”, zei Mefford. “We zouden ook graag andere energiegerelateerde reacties willen bestuderen, zoals snel opladen in batterijelektroden, koolstofdioxide-reductie voor het afvangen van koolstof en zuurstofreductie, waardoor we waterstof in brandstofcellen kunnen gebruiken.”