Rychlý pokrok ve zlepšování výroby vodíkového paliva s novým nanomateriálem

Ilustrace 2D substrátu s nitridem boru s nedokonalostmi hostujícími malé shluky niklu. Katalyzátor pomáhá při chemické reakci vodíku extrahovaného z kapalných chemických nosičů, čímž je dostupný jako palivo. Uznání: Jeff Urban / Berkeley Lab

Nový nanomateriál pomáhá extrahovat vodík z kapaliny nesoucí energii, což je důležitý krok k pevnému a čistému zdroji paliva.

Vodík je udržitelný zdroj čisté energie, který se vyhýbá toxickým emisím a může přidávat hodnotu mnoha odvětvím hospodářství, včetně dopravy, výroby energie, výroby kovů a dalších. Technologie pro skladování a přepravu vodíkových mostů představují rozdíl mezi udržitelnou výrobou energie a spotřebou paliva, a jsou proto základními složkami životaschopné vodíkové ekonomiky.

Tradiční způsob skladování a cestování je ale drahý a snadno se poškodí. Výsledkem je, že vědci hledají možnosti, které jsou spolehlivé, levné a jednoduché. Efektivnější systémy dodávání vodíku budou přínosem pro mnoho aplikací, jako je vytrvalá energie, přenosná energie a mobilní automobilový průmysl.

Nyní, jak uvádí deník Sborník Národní akademie věd, vědci navrhli a syntetizovali účinný materiál pro usnadnění jednoho z kroků k omezení extrakce vodíku z alkoholů. Materiál, katalyzátor, je vyroben z drobných niklových kovových pramenů ukotvených na 2D substrátu.

Tým vedený vědci z molekulární slévárny Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zjistil, že katalyzátor může být čistý a účinný při usnadňování reakce atomů vodíku z kapalné chemikálie. Materiál je pevnější a je vyroben z kovů, které jsou mnohem zemitější než materiály vyrobené z drahých kovů, a pomáhá učinit z vodíku životaschopný zdroj energie pro mnoho aplikací.

„Představujeme zde nejen katalyzátor s vyšší aktivitou než jiné niklové katalyzátory, které jsme testovali, pro výrazně obnovitelné palivo, ale také širší strategii využití budoucnosti kovy v mnoha reakcích, “řekl Jeff Urban, ředitel Anorganic Nanostructures, ředitel zařízení pro molekulární slévárnu.

Výzkum Consortium Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), konsorcium financované z Úřadu pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje energie z vodíku a palivových článků (EERE) amerického ministerstva energetiky. Prostřednictvím tohoto úsilí se pět národních laboratoří usiluje o vyřešení vědeckých chyb, které brání vývoji materiálů pro skladování pevného vodíku. Výstupy z této práce se přivádějí přímo do EERE [email protected] vize levné výroby, skladování, distribuce a použití vodíku v mnoha hospodářských odvětvích.

2D substrát na bázi nitridu boru

Popis 2D substrátu nitridu boru s nedokonalostmi, které hostí malé shluky niklu. Katalyzátor pomáhá při chemické reakci vodíku extrahovaného z kapalných chemických nosičů, čímž je dostupný jako palivo. Uznání: Jeff Urban / Berkeley Lab

Chemické sloučeniny, které fungují jako katalyzátory, jako je ten, který vyvinul Urban a jeho tým, se běžně používají ke zvýšení rychlosti chemické reakce bez rozkládajícího se léčiva – mohou obsahovat určitou molekulu v stabilní pozici nebo sloužit jako prostředník umožňující dokončit důležitý spolehlivý krok. Pro chemickou reakci, při které se z vodných kapalin vyrábí vodík, se nejúčinnější katalyzátory vyrábějí z drahých kovů. Katalisté jsou však spojováni s vysokými náklady a malým množstvím a jsou náchylní ke kontaminaci. Jiné levné katalyzátory vyrobené z běžnějších kovů mají tendenci být méně účinné a méně robustní, což omezuje jejich aktivitu a praktické využití ve výrobním průmyslu. vodík.

Aby se zlepšila účinnost a odolnost mnoha pozemních katalistů, Urban a jeho spolupracovníci vyvinuli strategii zaměřenou na malé, identické klastry nikl-kov. Malé shluky jsou důležité, protože zvyšují expozici reaktivního povrchu danému materiálu. Ale také se účastní shromáždění, což brání jejich reaktivitě.

Postdoktorský výzkumný asistent Zhuolei Zhang a vědecký pracovník Ji Su, oba z Molekulární slévárny a spoluautor článku, navrhli a provedli experiment proti shlukování nanesením 1,5 nanometru – shluky niklu o průměru na 2D substrátu vyrobeném z boru a vytvořený dusík, aby hostil mřížku atomových rozměrů. Shluky niklu se staly stejně rozptýlenými a bezpečně ukotvenými do důlků. Nejen, že tato konstrukce brání shlukování, ale její tepelné a chemické vlastnosti dále zvyšují celkovou výkonnost katalyzátoru přímou interakcí s klastry niklu.

„Bylo zjištěno, že role podmnožiny během formování klastru a fáze ukládání je kritická a může poskytnout vodítka k pochopení jejich role v jiných procesech,“ říká Urban.

Podrobné rentgenové měření a spektroskopie v kombinaci s teoretickými výpočty odhalí povrchy pod nimi a jejich roli v katalýze. Pomocí pokročilého vybavení světelným zdrojem, uživatelského zařízení DOE v laboratoři Berkeley a technik výpočetního modelování vědci identifikovali změny ve fyzikálních a chemických vlastnostech 2D listu, i když jsou malé. shluky niklu zabírají čisté oblasti listů a komunikují s přilehlými okraji, čímž zachovávají malou velikost shluků. Malé silné vazby usnadňují aktivaci procesů, při nichž je vodík izolován z kapalného nosiče, což dává katalyzátoru velmi dobrý výběr, produktivitu a robustní výkon.

Výpočty ukazují, že velikost katalyzátoru je důvodem, proč jeho aktivita patří k nejvyššímu relativnímu z ostatních uváděných. David Prendergast, ředitel Teorie zařízení pro nanostrukturované materiály v Molekulární slévárně, spolu s asistentkou postdoctorálního výzkumu a spoluautorkou Ana Sanz-Matias používá modely a výpočetní metody k identifikaci jedinečných geometrických a elektronických struktura malých kovových shluků. Zbytečné atomy kovů, mnoho z jejich malých shluků, jsou snadněji přitahovány k nosné tekutině než k mnoha kovovým částicím. Odhalené atomy také usnadňují kroky chemické reakce při odstraňování vodíku z nosiče a zároveň zabraňují tvorbě nečistot, které mohou ucpat horní část shluku. Výsledkem je, že materiál zůstává bez znečištění příčinnými opatřeními reakce na výrobu vodíku. Tyto katalytické a antikontaminační vlastnosti pocházejí z nedokonalostí zavedených na 2D listu a nakonec pomáhají zmenšit velikost klastru.

“Znečištění znemožňuje selhání kovových katalistů.” Naše platforma zde otevírá zcela nové dveře inženýrským systémům, “řekl Urban.

Vědci pomocí svého katalyzátoru dosáhli cíle výroby relativně levného, ​​snadno použitelného a odolného materiálu, který pomáhá odstraňovat vodík z kapalných nosičů pro použití jako palivo. Tato práce vychází ze snahy DOE vyvíjet materiály pro skladování vodíku, aby splňovaly cíle kanceláře EERE pro vodíkové a palivové články a optimalizovaly materiály pro budoucí použití vozidel.

Nadcházející práce týmu Berkeley Lab dále zdokonaluje strategii transformace 2D substrátů způsoby, které podporují malé kovové shluky, za účelem vývoje efektivnějších katalyzátorů. Metoda může pomoci optimalizovat proces extrakce vodíku z kapalných chemických nosičů.

Odkaz: „Zvýšená a trvalá produkce vodíku z methanolu ultravysokými Ni nanoklastry aktivujícími bohaté nanosety h-BN“ od Zhuolei Zhang, Ji Su, Ana Sanz Matias, Madeleine Gordon, Yi-Sheng Liu, Jinghua Guo , Chengyu Song, Chaochao Dun, David Prendergast, Gabor A. Somorjai a Jeffrey J. Urban, 24. listopadu 2020, Sborník Národní akademie věd.
DOI: 10.1073 / pnas.2015897117

Molekulární slévárna a pokročilý světelný zdroj jsou uživatelská zařízení DOE Office of Science v laboratoři Berkeley.

Výzkum je podporován DOE Office of Science a EERE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.