Oregon Eyalet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi araştırmacıları ve Cornell Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki işbirlikçileri sayesinde sudan verimli bir şekilde toplu hidrojen üretmek gerçeğe daha yakın.
Bilim adamları, doğal gazdan hidrojen elde etmekten daha temiz ve daha sürdürülebilir bir elektrokimyasal katalitik süreci daha net bir şekilde anlamak için gelişmiş deneysel araçlar kullandılar.
Bulgular bugün Science Advances bülteninde yayınlandı .
Hidrojen, yeryüzünde çok çeşitli bileşiklerde bulunur, en yaygın olarak su yapmak için oksijenle birleşir ve birçok bilimsel, endüstriyel ve enerji ile ilgili role sahiptir. Doğal gazın ana bileşeni olan metan gibi hidrojen ve karbondan oluşan hidrokarbonlar şeklinde de oluşur.
Araştırmayı yöneten kimya mühendisliği profesörü olan Oregon Eyaletinden Zhenxing Feng, “Hidrojen üretimi, arabalar için yakıt hücreleri ve amonyak gibi birçok faydalı kimyasalın üretimi gibi hayatımızın birçok yönü için önemlidir” dedi. “Ayrıca metallerin rafine edilmesinde, plastik gibi insan yapımı malzemelerin üretiminde ve bir dizi başka amaç için de kullanılıyor.”
Enerji Bakanlığı’na göre, Amerika Birleşik Devletleri hidrojenin çoğunu doğal gaz gibi bir metan kaynağından buhar-metan reformu olarak bilinen bir teknikle üretiyor. Süreç, bir katalizör varlığında metanın basınçlı buhara maruz bırakılmasını, hidrojen ve karbon monoksit ile az miktarda karbondioksit üreten bir reaksiyon oluşturmayı içerir.
Hidrojen Nasıl Kullanılacak?
Bir sonraki adım, karbon monoksit ve buharın farklı bir katalizör aracılığıyla reaksiyona girerek karbondioksit ve ek hidrojen yaptığı su-gaz kaydırma reaksiyonu olarak adlandırılır. Son adımda, basınç salınımlı adsorpsiyon, karbondioksit ve diğer safsızlıklar, geride saf hidrojen bırakılarak çıkarılır.
Feng, “Doğal gaz reformuyla karşılaştırıldığında, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektriğin hidrojene ayrılması için kullanılması daha temiz ve daha sürdürülebilir” dedi. “Bununla birlikte, su ayırmanın verimliliği düşüktür, esas olarak süreçteki anahtar yarı reaksiyonlardan biri olan oksijen evrimi reaksiyonunun yüksek aşırı potansiyeli (elektrokimyasal reaksiyonun gerçek potansiyeli ile teorik potansiyeli arasındaki fark) nedeniyle düşüktür. veya OER. “
Bir yarı reaksiyon, bir redoksun iki kısmından veya indirgeme-oksidasyondan, elektronların iki reaktan arasında transfer edildiği reaksiyondur; indirgeme elektron kazanmayı, oksidasyon ise elektron kaybetmeyi ifade eder.
Yarı reaksiyon kavramı genellikle bir elektrokimyasal hücrede neler olup bittiğini tanımlamak için kullanılır ve yarı reaksiyonlar genellikle redoks reaksiyonlarını dengelemek için bir yol olarak kullanılır. Aşırı potansiyel, teorik voltaj ile elektrolize neden olmak için gerekli olan gerçek voltaj arasındaki marjdır – elektrik akımının uygulanmasıyla tetiklenen bir kimyasal reaksiyon.
Feng, “Elektrokatalizörler, aşırı potansiyeli düşürerek su bölme reaksiyonunu teşvik etmede kritik öneme sahiptir, ancak yüksek performanslı elektrokatalizörler geliştirmek kolay olmaktan çok uzaktır” dedi. “En büyük engellerden biri, elektrokimyasal işlemler sırasında elektrokatalizörlerin gelişen yapısı ile ilgili bilgi eksikliğidir. OER sırasında elektrokatalizörün yapısal ve kimyasal evrimini anlamak, yüksek kaliteli elektrokatalizör malzemeleri ve buna bağlı olarak enerji geliştirmek için gereklidir. Sürdürülebilirlik.”
Feng ve çalışma arkadaşları, asit elektrolit içindeki son teknoloji ürünü bir OER elektrokatalizörü olan stronsiyum iridatın (SrIrO3) atomik yapısal evrimini incelemek için bir dizi gelişmiş karakterizasyon aracı kullandılar.
Feng, “Ortak ticari katalizör iridyum oksitten 1000 kat daha yüksek olan OER için rekor düzeyde yüksek aktivitesinin kaynağını anlamak istedik” dedi. “Argonne’deki senkrotron tabanlı X-ışını tesislerini ve OSU’daki Kuzeybatı Nanoteknoloji Altyapısı sahasındaki laboratuar tabanlı X-ışını fotoelektron spektroskopisini kullanarak, OER sırasında SrIrO3’ün yüzey kimyasal ve kristalinden amorf dönüşümünü gözlemledik.”
Gözlemler, stronsiyum iridate’in bir katalizör kadar iyi çalışma yeteneğinin arkasında neler olup bittiğini derinlemesine anlamaya yol açtı.
“Ayrıntılı, atomik ölçekli bulgumuz, aktif stronsiyum iridat tabakasının stronsiyum iridat üzerinde nasıl oluştuğunu açıklıyor ve kafes oksijen aktivasyonunun ve aktif OER birimlerinin oluşumunda bağlı iyonik difüzyonun kritik rolüne işaret ediyor” dedi.
Feng, çalışmanın, uygulanan potansiyelin elektrokimyasal arayüzde işlevsel amorf katmanların oluşumunu nasıl kolaylaştırdığına dair fikir verdiğini ve daha iyi katalizörlerin tasarımı için olasılıklara yol açtığını ekledi.,