Ilustracija prikazuje elektrokemično reakcijo, ki razdeli molekule vode (na desni, z atomom kisika v rdeči in dvema atomoma vodika v beli) na molekule kisika (na levi), organski kovinski hidroksid ekipe Nahaja se v strukturi ogrodja , ki je zgoraj in spodaj upodobljen kot rešetka. Zasluge: z dovoljenjem raziskovalcev

Material bi lahko nadomestil redke kovine in privedel do bolj ekonomične proizvodnje ogljično nevtralnih goriv.

Elektrokemična reakcija, ki ločuje molekule vode za proizvodnjo kisika, je v središču številnih pristopov, katerih cilj je proizvodnjo alternativnih goriv za transport. Toda to reakcijo mora olajšati material katalizatorja, današnje različice pa zahtevajo uporabo redkih in dragih elementov, kot je iridij, kar omejuje možnost za takšno proizvodnjo goriva.

Zdaj pa raziskovalci MIT in drugje so razvili povsem novo vrsto katalizatorskega materiala, imenovanega kovinski hidroksid-organski okvir (MHOF), ki je sestavljen iz poceni in bogatih komponent. Družina materialov omogoča inženirjem, da natančno prilagodijo sestavo in strukturo katalizatorja potrebam določenega kemičnega procesa, nato pa se lahko ujema ali presega zmogljivost običajnih, dražjih katalizatorjev.

Ugotovitve so opisane 24. februarja 2022 v reviji naravni materialV prispevku postdoktorja MIT Shuaija Yuana, podiplomskega študenta Jiayu Penga, profesorja Yanga Shao-Horna, profesorja Jurija Romana-Leškova in devetih drugih.

Reakcije sproščanja kisika so ena najpogostejših reakcij za elektrokemično proizvodnjo goriv, ​​kemikalij in materialov. Ti procesi vključujejo proizvodnjo vodika kot stranskega produkta evolucije kisika, ki se lahko uporablja neposredno kot gorivo ali podvrže kemičnim reakcijam za proizvodnjo drugih transportnih goriv; Proizvodnja amoniaka za uporabo kot gnojilo ali kemična surovina; in zmanjšanje ogljikovega dioksida za nadzor emisij.

Toda brez pomoči so “ti odzivi počasni,” pravi Shao-Horn. “Za počasno reakcijo morate žrtvovati napetost ali energijo, da povečate hitrost reakcije.” Zaradi potrebe po dodatnem vnosu energije je »splošna učinkovitost nizka. Zato ljudje uporabljajo katalizatorje,” pravi, ker ti materiali naravno spodbujajo reakcije z zmanjšanjem vnosa energije.

Toda doslej so se ti katalizatorji “vsi zanašali na drage materiale ali pozne prehodne kovine, ki so zelo redke, na primer iridijev oksid, in v skupnosti je bilo veliko truda, da bi našli alternative, ki temeljijo na materialih, bogatih z zemljo, v katerih je enaka zmogljivost glede aktivnosti in stabilnosti, «pravi Roman-Leshkov. Ekipa pravi, da je našla materiale, ki ponujajo popolnoma enako kombinacijo lastnosti.

Roman-Leshkov pravi, da so druge ekipe raziskale uporabo kovinskih hidroksidov, kot so nikelj-železovi hidroksidi. Vendar je bilo takšne materiale težko prilagoditi potrebam posebnih aplikacij. Zdaj pa je “razlog, zakaj je naše delo precej razburljivo in precej relevantno, ta, da smo našli način, da prilagodimo lastnosti tem kovinskim hidroksidom tako, da jih nanostrukturiramo na edinstven način.”

Ekipa si je izposodila raziskave, ki so bile opravljene na sorodnem razredu spojin, znanih kot kovinsko-organski okviri (MOF), ki je nekakšna kristalna struktura, sestavljena iz vozlišč kovinskih oksidov, povezanih z organskimi povezovalnimi molekulami. Z zamenjavo kovinskih oksidov v takšnih materialih z določenimi kovinskimi hidroksidi, je ugotovila ekipa, je postalo mogoče ustvariti natančno nastavljive materiale, ki so imeli tudi potrebno stabilnost, da bi bili potencialno uporabni kot katalizator.

“Te verige teh organskih povezovalnikov postavite eno poleg druge in dejansko usmerjajo tvorbo kovinskih hidroksidnih plošč, ki so pritrjene na te organske povezovalce, ki se nato zložijo in imajo visoko stabilnost. Obstaja,” pravi Roman-Leškov. . To ima več prednosti, pravijo, saj omogoča natančen nadzor nad vzorčenjem nanostrukture, omogoča natančen nadzor elektronskih lastnosti kovine in zagotavlja večjo stabilnost, kar omogoča njihovo uporabo v daljšem časovnem obdobju.

Pri testiranju takšnih materialov so raziskovalci ugotovili, da je zmogljivost katalizatorja “osupljiva”, pravi Shao-Horn. “To je enako najsodobnejšemu oksidnemu materialu, ki katalizira reakcijo evolucije kisika.”

Ker so v veliki meri sestavljeni iz niklja in železa, bi morali biti ti materiali vsaj 100-krat cenejši od obstoječih katalizatorjev, pravi, čeprav ekipa še ni opravila popolne ekonomske analize.

Ta družina materialov “zagotavlja nov prostor za prilagajanje aktivnih mest za katalizacijo cepljenja vode za proizvodnjo vodika z res nizkim vnosom energije,” pravi Shao-Horn in ugotavlja, da je vsaka kemikalija Za izpolnjevanje natančnih zahtev procesa, kjer je potrebni so katalizatorji.

Material bi lahko zagotovil “petkrat večjo prilagodljivost” kot obstoječi katalizatorji na osnovi niklja, pravi Peng, preprosto z zamenjavo različnih kovin namesto niklja v spojini. “To bo potencialno zagotovilo več pomembnih poti za prihodnja odkritja.” Materiale je mogoče izdelati tudi v izjemno tankih ploščah, ki jih lahko nato prevlečemo z drugim materialom, kar zmanjša stroške materiala takšnih sistemov.

Doslej je bil material preizkušen v majhni laboratorijski preskusni opremi, ekipa pa se zdaj ukvarja s težavami s poskusom povečanja procesa do komercialno pomembnega obsega, kar bi lahko trajalo še nekaj let. Toda ideja ima velik potencial, pravi Shao-Horn, da pomaga katalizirati proizvodnjo čistega vodikovega goriva brez emisij, tako da “lahko zmanjšamo stroške vodika iz tega procesa, medtem ko nas ne omejuje razpoložljivost plemenitih kovin.” To je pomembno, saj potrebujemo tehnologije za proizvodnjo vodika, ki jih je mogoče povečati.”

Reference: Shuai Yuan, Jiayu Peng, Bin Cai, Zhao Huang, Angel T. “Nastavljivi organski okvirji s kovinskim hidroksidom za katalizo evolucije kisika” García-Esparza, Dimostenis Socaras, Yirui Zhang, Livia Giordano, Karthik Akkiraju, Yun Guang Zhu. René Hubner, Xiaodong Xue, Yuri Roman-Leshkov in Yang Shao-Horn, 24. februar 2022, naravni material,
DOI: 10.1038/s41563-022-01199-0

Raziskovalna skupina je vključevala MIT, Univerzo Stockholm na Švedskem, SLAC National Accelerator Laboratory in Inštitut za fiziko in raziskave ionskih žarkov v Dresdnu v Nemčiji. Delo je podprl Toyotin raziskovalni inštitut.