Обеспечение будущего чистой энергетики с помощью ZrN

Исследователи разработали основу для понимания роли нитрида циркония (ZrN) в усилении реакций экологически чистой энергии, предлагая экономически эффективную альтернативу таким материалам, как платина, в топливных элементах. Это исследование, имеющее решающее значение для технологий чистой энергии, показывает перспективы для других подобных материалов.

Группа исследователей разгадала тайны недавно идентифицированного материала — нитрида циркония (ZrN), который способствует реакциям экологически чистой энергии. Предложенная ими структура поможет будущим разработкам нитридов переходных металлов, прокладывая путь к производству более чистой энергии.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Chemical Science, где оно было помещено на обложке.

Технологический прорыв

Топливные элементы с анионообменной мембраной (AEMFC) — это устройства, которые используют водород и кислород для производства чистой электроэнергии посредством химических реакций, в частности реакции окисления водорода и реакции восстановления кислорода (ORR). AEMFC, благодаря своей способности работать в щелочных условиях, обеспечивают подходящую среду для катализаторов на основе земли, предлагая более дешевую альтернативу другим эффективным каталитическим материалам, таким как платина.

Недавние исследования показали, что ZrN демонстрирует эффективные характеристики – даже превосходя платину – при использовании для ORR в щелочной среде. ZrN, хотя и не является материалом, содержащим большое количество земли, тем не менее более рентабелен, чем его альтернативы. Но что стоит за его впечатляющими характеристиками, осталось загадкой для ученых.

Методология и результаты

• «Чтобы реализовать нашу новую теоретическую основу для ZrN, мы решили использовать анализ поверхностного состояния, моделирование эффектов электрического поля и pH-зависимое микрокинетическое моделирование», — объясняет Хао Ли, доцент Передового института исследования материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR). и соответствующий автор статьи».

Анализ поверхности показал, что ZrN имеет очень тонкий слой HO, когда он подвергается ORR. Этот тонкий слой помогает молекулам прилипать к нему таким образом, что это полезно для ORR. Более того, моделирование эффекта электрического поля показывает, что атомарный кислород, прилипающий к этой тонко покрытой поверхности, претерпевает минимальные изменения, тем самым прилипая умеренно.

Идентифицированная покрытая гидроксилом поверхность на ZrN в условиях ORR подобна «лесу», что приводит к высокой активности ORR. Авторы и права: Хао Ли и др.

После компьютерного моделирования исследователи обнаружили, что ZrN достигает наилучшего значения ORR в щелочных условиях.

Более широкие последствия

• «Наша проверенная теория хорошо работает не только для ZrN, но и для других материалов, таких как Fe3N, TiN и HfN, которые похожи на ZrN, а это означает, что наша идея объясняет, как эти материалы можно использовать и для экологически чистой энергии», — добавляет Хао.
• «Наша структура поможет рационализировать и разработать нитриды переходных металлов для щелочных ORR».

Будущие направления

В будущем Хао и его команда планируют расширить эту концепцию для изучения других промышленно значимых реакций, таких как реакция выделения кислорода.

Источник

Метки: энергия