09.09.2020 - Virginia Polytechnic Institute and State University

Spaltung von Wassermolekülen für eine Zukunft mit erneuerbaren Energien

Neue Technik zum Wiederzusammensetzen, Wiederbeleben und Wiederverwenden eines Katalysators

Die zukünftige Wirtschaft, die auf erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen basiert, könnte auf batteriebetriebene Autos, große Solar- und Windparks sowie in Batterien und chemischen Brennstoffen gespeicherte Energiereserven zurückgreifen. Obwohl es bereits Beispiele für nachhaltige Energiequellen gibt, die bereits genutzt werden, werden wissenschaftliche und technische Durchbrüche den Zeitplan für eine breite Einführung bestimmen.

Ein vorgeschlagenes Paradigma für die Abkehr von fossilen Brennstoffen ist die Wasserstoffwirtschaft, in der Wasserstoffgas den elektrischen Bedarf der Gesellschaft deckt. Um Wasserstoffgas in Massenproduktion herzustellen, untersuchen einige Wissenschaftler den Prozess der Spaltung von Wasser - zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom - was zu Wasserstoffbrennstoff und atembarem Sauerstoffgas führen würde.

Feng Lin, ein Assistenzprofessor für Chemie am Virginia Tech College of Science, konzentriert sich auf die Erforschung der Energiespeicherung und -umwandlung. Diese Arbeit ist Teil einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht wurde und die eine wichtige, grundlegende Barriere im elektrochemischen Wasserspaltungsprozess löst. Das Lin-Lab demonstriert eine neue Technik zur Wiederzusammensetzung, Wiederbelebung und Wiederverwendung eines Katalysators, der eine energieeffiziente Wasserspaltung ermöglicht. Chunguang Kuai, ein ehemaliger graduierter Student von Lin, ist Erstautor der Studie mit Lin und Mitautor der Studie mit den graduierten Chemiestudenten Zhengrui Xu, Anyang Hu und Zhijie Yang.

Die Kernidee dieser Studie geht auf ein Thema aus dem allgemeinen Chemieunterricht zurück: Katalysatoren. Diese Substanzen erhöhen die Geschwindigkeit einer Reaktion, ohne im chemischen Prozess verbraucht zu werden. Eine Möglichkeit, wie ein Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, besteht darin, die für den Beginn der Reaktion benötigte Energiemenge zu verringern.

Wasser mag als ein Molekül, das aus nur drei Atomen besteht, basisch erscheinen, aber der Prozess seiner Spaltung ist recht schwierig. Aber Lins Labor hat dies getan. Selbst die Bewegung eines Elektrons aus einem stabilen Atom kann energieintensiv sein, aber diese Reaktion erfordert die Übertragung von vier Elektronen, um Sauerstoff zu oxidieren und Sauerstoffgas zu erzeugen.

"In einer elektrochemischen Zelle wird der Vier-Elektronen-Transferprozess die Reaktion ziemlich träge machen, und wir brauchen ein höheres elektrochemisches Niveau, um dies zu erreichen", sagte Lin. "Mit der höheren Energie, die zur Spaltung von Wasser benötigt wird, werden die langfristige Effizienz und die Stabilität des Katalysators zu Schlüsselherausforderungen.

Um diesen hohen Energiebedarf zu decken, führt das Labor Lin einen gemeinsamen Katalysator namens MNF (mixed nickel iron hydroxide) ein, um den Schwellenwert zu senken. Wasserspaltungsreaktionen mit MNF funktionieren gut, aber aufgrund der hohen Reaktivität von MNF hat es eine kurze Lebensdauer und die katalytische Leistung nimmt schnell ab.

Lin und sein Team entdeckten eine neue Technik, die ein periodisches Wiederzusammensetzen zum ursprünglichen Zustand von MNF ermöglicht, so dass der Prozess der Wasserspaltung fortgesetzt werden kann. (Das Team verwendete für seine Experimente Süßwasser, aber Lin schlägt vor, dass auch Salzwasser - die auf der Erde am häufigsten vorkommende Form von Wasser - funktionieren könnte).

Die MNF hat eine lange Geschichte mit Energiestudien. Als Thomas Edison vor mehr als einem Jahrhundert an Batterien bastelte, verwendete er auch die gleichen Elemente Nickel und Eisen in Batterien auf Nickelhydroxidbasis. Edison beobachtete in seinen Nickelhydroxid-Experimenten die Bildung von Sauerstoffgas, was für eine Batterie schlecht ist, aber im Falle der Wasserspaltung ist die Produktion von Sauerstoffgas das Ziel.

"Wissenschaftler haben schon seit langem erkannt, dass die Zugabe von Eisen in das Nickelhydroxid-Gitter der Schlüssel für die Erhöhung der Reaktivität der Wasserspaltung ist. sagte Kuai. "Aber unter den katalytischen Bedingungen ist die Struktur des vorgefertigten MNF aufgrund der stark korrosiven Umgebung der elektrolytischen Lösung sehr dynamisch.

Während Lins Experimenten zersetzt sich MNF in der elektrolytischen Lösung aus einer festen Form in Metallionen - eine wesentliche Einschränkung dieses Prozesses. Lins Team beobachtete jedoch, dass sich die gelösten Metallionen wieder zum idealen MNF-Katalysator zusammensetzen, wenn die elektrochemische Zelle vom hohen, elektrokatalytischen Potenzial auf ein niedriges, reduzierendes Potenzial umkippt, und zwar nur für einen Zeitraum von zwei Minuten. Dies geschieht aufgrund einer Umkehrung des pH-Gradienten innerhalb der Grenzfläche zwischen dem Katalysator und der Elektrolytlösung.

"Während des zweiminütigen Niedrigpotenzials haben wir gezeigt, dass wir nicht nur Nickel- und Eisenionen zurück in die Elektrode abscheiden, sondern sie auch sehr gut miteinander vermischen und hochaktive katalytische Stellen erzeugen können", sagte Lin. "Das ist wirklich aufregend, denn wir bauen die katalytischen Materialien auf der atomaren Längenskala innerhalb einer elektrochemischen Grenzfläche von wenigen Nanometern wieder auf.

Ein weiterer Grund dafür, dass die Reformierung so gut funktioniert, liegt darin, dass das Labor von Lin neuartige MNF als dünne Platten synthetisiert hat, die sich leichter wieder zusammensetzen lassen als ein Schüttgut.

Validierung der Ergebnisse durch Röntgenstrahlen

Um diese Ergebnisse zu bestätigen, führte Lins Team Synchrotron-Röntgenmessungen an der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory und an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource des SLAC National Accelerator Laboratory durch. Diese Messungen beruhen auf der gleichen Grundprämisse wie die üblichen Krankenhaus-Röntgenaufnahmen, jedoch in einem viel größeren Maßstab.

"Wir wollten beobachten, was während dieses ganzen Prozesses geschehen war", sagte Kuai. "Mit Hilfe der Röntgenbildgebung können wir buchstäblich die Auflösung und Neuanordnung dieser Metalleisen sehen, um ein grundlegendes Bild der chemischen Reaktionen zu erhalten.

Synchrotronanlagen erfordern eine massive Schleife, ähnlich der Größe des Drillfield an der Virginia Tech, die Röntgenspektroskopie und Bildgebung bei hohen Geschwindigkeiten durchführen kann. Dies liefert Lin hohe Datenmengen unter den katalytischen Betriebsbedingungen. Die Studie liefert auch Einblicke in eine Reihe anderer wichtiger elektrochemischer Energiewissenschaften, wie z.B. Stickstoffreduktion, Kohlendioxidreduktion und Zink-Luft-Batterien.

"Über die Bildgebung hinaus haben uns zahlreiche röntgenspektroskopische Messungen ermöglicht, zu untersuchen, wie einzelne Metallionen zusammenkommen und Cluster mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen bilden", sagte Lin. "Dies hat wirklich die Tür für die Untersuchung elektrochemischer Reaktionen in realen chemischen Reaktionsumgebungen geöffnet.

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