روشی جدید برای ساخت کاتالیزورهای ایریدیوم برای تولید هیدروژن دوام بیشتری دارد

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Andrew Zinin

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

راه های زیادی برای تولید هیدروژن وجود دارد، اما همه آنها سازگار با محیط زیست نیستند. الکترولیز آب روشی امیدوارکننده است که از برق برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن بدون تولید دی اکسید کربن (CO2) استفاده می کند.

در میان رویکردهای مختلف برای الکترولیز آب، الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM) به دلیل توانایی آن در واکنش سریع به تغییرات در عرضه برق برجسته است. این انعطاف پذیری آن را به ویژه برای استفاده با منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی باد و خورشید مناسب می کند.

با این حال، این فناوری برای تولید اکسیژن بر کاتالیزورهای مبتنی بر ایریدیوم متکی است که نه تنها به دلیل کمیاب بودن فلز گران هستند، بلکه می توانند به مرور زمان کارایی خود را نیز از دست بدهند.

برای کمک به دوام بیشتر کاتالیزورهای ایریدیوم، محققان طرح جدیدی را برای محافظت از فلز در برابر تخریب ایجاد کردند. با قرار دادن نانوذرات ایریدیوم در پروسکایت با آنتروپی بالا، ساختاری ایجاد کردند که در عین تنظیم محیط الکترونیکی، ذرات را محکم نگه می دارد.

این مطالعه در مجله American Chemical Society منتشر شده است.

ما ماده‌ای را توسعه دادیم که ساختار کریستالی خاصی دارد که به چندین فلز مختلف اجازه می‌دهد تا در آن ترکیب شوند. در پروسکایت‌های ساده‌تر، هر نوع محل کریستالی معمولا توسط یک نوع فلز اشغال می‌شود، اما پروسکایت‌های با آنتروپی بالا به چندین فلز مختلف اجازه می‌دهند تا در یک نوع مکان مشترک باشند. موسسه تحقیقات مواد پیشرفته دانشگاه توهوکو (WPI-AIMR).

با انتخاب دقیق این فلزات، ما توانستیم پایداری ساختاری را با توانایی تنظیم خواص الکترونیکی مواد در طول واکنش ترکیب کنیم و به محافظت از ایریدیوم در برابر تخریب کمک کنیم.

برای تبدیل پروسکایت با آنتروپی بالا به یک کاتالیزور، محققان از فرآیندی به نام exsolution استفاده کردند که در آن مواد تحت شرایط خاصی گرم می‌شوند. این امر باعث شد که مقداری از ایریدیوم داخل ماده به سطح حرکت کند و نانوذرات تشکیل دهد.

بر خلاف کاتالیزورهای معمولی، که در آن نانوذرات معمولا بر روی یک سطح نگهدارنده رسوب می‌کنند، این ذرات از درون خود ماده بیرون می‌آیند. این آنها را محکم در جای خود نگه می دارد و به جلوگیری از حرکت یا جمع شدن آنها در کنار هم کمک می کند و به طور بالقوه باعث می شود کاتالیزور دوام بیشتری داشته باشد.

محققان همچنین چگونگی محافظت از ایریدیوم را در طول الکترولیز آب، فرآیندی که در آن ایریدیوم می‌تواند الکترون‌ها را از دست داده و ناپایدار شود، مورد بررسی قرار دادند. آنها از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای دریافتند که پروسکایت با آنتروپی بالا به تنظیم نحوه توزیع الکترون‌ها در اطراف ایریدیوم کمک می‌کند و به ماندگاری آن کمک می‌کند.

در واقع، زمانی که محققان آن را در یک الکترولیز آب PEM آزمایش کردند، این سیستم بیش از 3800 ساعت با کاهش عملکرد بسیار کمی کار کرد. در یک آزمایش جداگانه تحت شرایط سخت‌تر، بیش از 3200 ساعت کار کرد و پتانسیل خود را برای تولید هیدروژن طولانی‌تر نشان داد.

برای ارزیابی کاتالیزور جدید، محققان آن را با مواد دیگر مقایسه کردند. در حالی که یک کاتالیزور ایریدیوم معمولی علائم قابل توجهی از تخریب را در عرض 300 ساعت نشان داد، کاتالیزور جدید برای بیش از 650 ساعت پایدار ماند.

لی گفت: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که طراحی دقیق مواد اطراف ایریدیوم می‌تواند به طور قابل توجهی دوام کاتالیزور را بهبود بخشد. "ما امیدواریم که کار ما به توسعه سیستم های الکترولیز آب قابل اعتمادتر و مقرون به صرفه تر کمک کند و تولید هیدروژن سبز را در مقیاس بزرگتر عملی تر کند."

جینگ نی و همکاران، توزیع مجدد الکترون دینامیک بر روی کاتالیزورهای IR با پروسکیت با انتروپی بالا نوع ریشه دار برای الکترولیز آب غشایی-مبادله پروتون، مجله انجمن شیمی آمریکا (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c13780

اطلاعات مجله: مجله انجمن شیمی آمریکا

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →