Viteza către producția îmbunătățită de hidrogen combustibil cu un nou nanomaterial

O ilustrare a substratului de nitrit de bor 2D cu imperfecțiuni care așteaptă grupuri mici de nichel. Catalizatorul ajută la reacția chimică care îndepărtează hidrogenul de la purtătorii chimici lichizi, făcându-l disponibil pentru utilizare ca combustibil. Credit: Jeff Urban / Berkeley Lab

Un nou nanomaterial ajută la obținerea hidrogenului de la un purtător de energie lichidă, într-un pas cheie către o sursă de combustibil durabilă și curată.

Hidrogenul este o sursă durabilă de energie curată care evită emisiile toxice și poate adăuga valoare multor sectoare din economie, inclusiv transportul, generarea de energie electrică, producția de metale, printre altele. Tehnologiile de stocare și transport al hidrogenului umple golul dintre producția durabilă de energie și consumul de combustibil și, prin urmare, sunt o componentă esențială a unei economii durabile de hidrogen.

Dar mijloacele tradiționale de depozitare și transport sunt scumpe și sensibile la poluare. Ca rezultat, cercetătorii caută tehnici alternative fiabile, ieftine și simple. Sistemele de distribuție a hidrogenului mai eficiente ar beneficia multe aplicații, cum ar fi energia staționară, energia portabilă și industria vehiculelor mobile.

Acum, așa cum a fost raportat în jurnal Lucrările Academiei Naționale de Științe, cercetătorii au proiectat și sintetizat un material eficient pentru accelerarea uneia dintre etapele de limitare în extracția hidrogenului din alcooli. Materialul, un catalizator, este realizat din grupuri mici de nichel metalic ancorate pe un substrat 2D.

Echipa condusă de cercetătorii din Știința Moleculară a Laboratorului Național Lawrence Berkeley (Laboratorul Berkeley) a descoperit că catalizatorul poate accelera în mod curat și eficient reacția care elimină atomii de hidrogen dintr-un purtător chimic lichid. Materialul este mai puternic și este fabricat din metale mai abundente pe pământ decât din opțiunile existente fabricate din metale prețioase și va ajuta hidrogenul să fie o sursă de energie durabilă pentru o gamă largă de aplicații.

„Nu prezentăm doar un catalizator cu activitate mai mare decât alți catalizatori de nichel pe care i-am testat, pentru un combustibil semnificativ cu energie regenerabilă, ci și o strategie mai largă pentru utilizarea metalelor accesibile într-o gamă de larg de feedback “, a declarat Jeff Urban, director de nanostructuri anorganice al instalației de la Molecular Foundry care a condus lucrarea.

Cercetarea face parte din Advanced Hydrogen Materials Consortium Research (HyMARC), un consorțiu finanțat de Biroul Departamentului Energetic al Oficiului pentru Eficiență Energetică și Biroul Tehnologiilor Energiei Regenerabile pentru Hidrogen și Combustibil (EER). Prin acest efort, cinci laboratoare naționale lucrează spre obiectivul de a aborda lacunele științifice care blochează avansarea materialelor solide de stocare a hidrogenului. Rezultatele acestei lucrări vor fi introduse direct în EERE [email protected] viziune pentru producția, stocarea, distribuția și utilizarea la prețuri accesibile a hidrogenului în mai multe sectoare ale economiei.

Substrat nitrid 2D bor

Ilustrarea substratului de nitrit de bor 2D cu imperfecțiuni care adăpostesc grupuri mici de nichel. Catalizatorul ajută la reacția chimică care îndepărtează hidrogenul de la purtătorii chimici lichizi, făcându-l disponibil pentru utilizare ca combustibil. Credit: Jeff Urban / Berkeley Lab

Compușii chimici care acționează ca catalizatori precum cel dezvoltat de Urban și de echipa sa sunt utilizați în mod obișnuit pentru a crește viteza unei reacții chimice fără a consuma compusul în sine – pot menține o anumită moleculă într-o poziție stabilă sau pot servi ca un intermediar care permite realizarea unui pas important în mod fiabil. Pentru reacția chimică care produce hidrogen din transportorii lichizi, cei mai eficienți catalizatori sunt fabricați din metale prețioase. Cu toate acestea, acei catalizatori sunt asociați cu costuri ridicate și abundență scăzută și sunt sensibili la poluare. Alți catalizatori mai puțin costisitori, realizați din metale mai obișnuite, tind să fie mai puțin eficienți și mai puțin durabili, ceea ce le limitează activitatea și plasarea practică în industriile de producere a hidrogenului.

Pentru a îmbunătăți performanța și stabilitatea acestor abundenți catalizatori metalici la sol, Urban și colegii săi au modificat o strategie care se concentrează pe seturi mici și uniforme de nichel metale. Bucățile mici sunt importante, deoarece maximizează expunerea suprafeței reactive la o anumită cantitate de material. Dar, de asemenea, tind să se aglomereze, ceea ce le împiedică reacția.

Asistentul de cercetare postdoctorală Zhuolei Zhang și omul de știință al proiectului Ji Su, atât la Molecular Foundry, cât și coautori pe hârtie, au proiectat și realizat un experiment care a combătut agregarea prin depunerea benzilor de nichel cu diametrul de 1,5 nanometri pe un substrat 2D din bor și azot creat pentru a găzdui o rețea de gropi la scară atomică. Pilele de nichel au fost distribuite uniform și ancorate în siguranță în gropi. Nu numai că acest design a prevenit aglomerarea, dar proprietățile sale termice și chimice au îmbunătățit foarte mult performanța generală a catalizatorului prin interacțiunea directă cu grupările de nichel.

“Rolul suprafeței subiacente în timpul fazei de formare și depunere a clusterului sa dovedit a fi critic și poate oferi indicii pentru înțelegerea rolului lor în alte procese”, a spus Urban.

Măsurători detaliate de raze X și spectroscopie, combinate cu calcule teoretice, au dezvăluit multe despre suprafețele subiacente și rolul lor în cataliză. Utilizând instrumente din sursa de lumină avansată, o structură de utilizator DOE la Berkeley Lab și metode de modelare computațională, cercetătorii au identificat modificări ale proprietăților fizice și chimice ale foilor 2D, deoarece grupurile mici de nichel ocupă regiuni curate ale foilor și interacționează cu marginile adiacente, păstrând astfel dimensiunea redusă a grupurilor. Agregatele mici și stabile au facilitat acțiunea în procesele prin care hidrogenul este separat de purtătorul său lichid, oferind catalizatorului o alegere excelentă, productivitate și performanță stabilă.

Calculele au arătat că dimensiunea catalizatorului a fost motivul pentru care activitatea sa a fost una dintre cele mai bune în comparație cu altele care au fost raportate recent. David Prendergast, director Teoria ușurinței materialelor nanostructurate la Fundația moleculară, împreună cu asistentul de cercetare postdoctorală și coautor Ana Sanz-Matias, au folosit modele și metode de calcul pentru a descoperi structura geometrică și electronică unică a pachetelor mici de metal. . Atomii de metal goi, abundenți în aceste grupuri mici, au atras purtătorul lichid mai ușor decât particulele de metal mai mari. Acești atomi expuși au facilitat, de asemenea, etapele reacției chimice care îndepărtează hidrogenul din transportor, prevenind în același timp formarea de contaminanți care pot bloca suprafața grămezii. Prin urmare, materialul a rămas fără contaminare în timpul etapelor majore ale reacției de producere a hidrogenului. Aceste proprietăți catalitice și anti-poluante au ieșit din imperfecțiuni care au fost introduse intenționat în foi 2D și, în cele din urmă, au ajutat la menținerea dimensiunii mici a grămezii.

„Poluarea poate face ca valorii potențiali catalizatori ai metalelor neprețioase să fie lipsiți de valoare. “Platforma noastră de aici deschide o nouă ușă pentru ingineria acestor sisteme”, a spus Urban.

În catalizatorul lor, cercetătorii au atins obiectivul de a crea un material relativ ieftin, ușor disponibil și durabil, care ajută la îndepărtarea hidrogenului din purtătorii lichizi pentru a fi folosit ca combustibil. Această lucrare a apărut dintr-un efort al DOE de a dezvolta materiale de stocare a hidrogenului pentru a îndeplini obiectivele Biroului EERE pentru hidrogen și combustibil și pentru a optimiza materialele pentru utilizarea viitoare în vehicule.

Lucrările viitoare ale echipei Berkeley Lab vor perfecționa în continuare strategia de modificare a substraturilor 2D în moduri care susțin grupuri mici de metale, pentru a dezvolta catalizatori și mai eficienți. Tehnica poate ajuta la optimizarea procesului de extracție a hidrogenului de la purtători chimici lichizi.

Referință: „Producția de hidrogen extinsă și stabilizată din metanol din nanoclustele ultra-mici de Ni imobilizate în nanofolii bogate în defecte h-BN” de Zhuolei Zhang, Ji Su, Ana Sanz Matias, Madeleine Gordon, Yi-Sheng Liu, Jinghua Guo , Chengyu Song, Chaochao Dun, David Prendergast, Gabor A. Somorjai și Jeffrey J. Urban, 24 noiembrie 2020, Lucrările Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.2015897117

Molecular Foundry și Advanced Light Source sunt facilități ale utilizatorilor DOE Science Office de la Berkeley Lab.

Cercetarea a fost susținută de Biroul Științei DOE și de Biroul EERE pentru Tehnologii pentru Hidrogen și Combustibil.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Răcire radiantă și încălzire solară de către un sistem – Nu este necesară electricitate

Sistemul a scăzut temperatura în interiorul unui sistem de testare într-un mediu exterior sub lumina directă a soarelui cu peste 12 grade Celsius (22...

Moarte animală falsă pentru perioade lungi de timp pentru a scăpa de prădători

Antilopul european (Euroleon nostras) pe partea sa dorsală, jucând mort. Credit: profesorul Nigel R. Franks, Universitatea din Bristol Multe animale își bat joc de...

Perseverance Rover al NASA conduce pentru prima dată pe Pământ

Această imagine a fost făcută pe 4 martie 2021 pe primul disc al vehiculului Perseverance al NASA. Credit: NASA / JPL-Caltech Prima rută a...

A fost descoperită o mașină de ucis veche de 260 de milioane de ani

Recuperarea vie a Anteosaurului atacă Moshognathusul erbivor. Credit: Alex Bernardini (@SimplexPaleo) Anteosaurul sălbatic în vârstă de 260 de milioane de ani, considerat anterior a...

Fizicienii particulelor rezolvă o problemă care îi „bântuie” de mai bine de 20 de ani

Ilustrația urmărește traseul fasciculului pe măsură ce trece prin quadrupolul de radiofrecvență de cupru, magnetul dipol negru și sistemul de măsurare fisurat și către...

Newsletter

Subscribe to stay updated.