Как производится кислород из воды

Этот материал может заменить редкие металлы и привести к более экономичному производству углеродно-нейтрального топлива.

Электрохимическая реакция, которая расщепляет молекулы воды с образованием кислорода, лежит в основе множества подходов, направленных на производство альтернативных видов топлива для транспорта. Но этой реакции должен способствовать материал катализатора, а сегодняшние версии требуют использования редких и дорогих элементов, таких как иридий, что ограничивает возможности производства такого топлива.

Гидроксидно-органический каркас металла

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран разработали совершенно новый тип каталитического материала, называемый гидроксидно-органическим каркасом металла (MHOF), который состоит из недорогих и распространенных компонентов. Семейство материалов позволяет инженерам точно настраивать структуру и состав катализатора в соответствии с потребностями конкретного химического процесса, после чего он может соответствовать или превосходить характеристики обычных, более дорогих катализаторов.

На иллюстрации изображена электрохимическая реакция, расщепляющая молекулы воды (справа, с атомом кислорода красным и двумя атомами водорода белым) на молекулы кислорода (слева), происходящая в структуре органических каркасов гидроксида металла группы, изображенных как решетки сверху и снизу. Кредит: Предоставлено исследователями.

Выводы описаны 24 февраля 2022 года в журнале Nature Materials, в статье постдока Массачусетского технологического института Шуай Юаня, аспиранта Цзяю Пэна, профессора Ян Шао-Хорна, профессора Юрия Романа-Лешкова и еще девяти человек.

Реакции выделения кислорода являются одной из реакций, общих для электрохимического производства топлива, химикатов и материалов. Эти процессы включают производство водорода как побочного продукта выделения кислорода, который можно использовать непосредственно в качестве топлива или подвергать химическим реакциям для производства других транспортных топлив; производство аммиака для использования в качестве удобрения или химического сырья; и сокращение выбросов углекислого газа для контроля выбросов.

Но без посторонней помощи «эти реакции вялые», — говорит Шао-Хорн. «Для реакции с медленной кинетикой вы должны пожертвовать напряжением или энергией, чтобы повысить скорость реакции». Из-за требуемой дополнительной энергии «общий КПД низок. Вот почему люди используют катализаторы», — говорит она, поскольку эти материалы естественным образом способствуют реакциям, снижая потребление энергии.

Но до сих пор эти катализаторы «все полагаются на дорогие материалы или поздние переходные металлы, которых очень мало, например, оксид иридия, и сообщество приложило большие усилия, чтобы найти альтернативы, основанные на распространенных на Земле материалах, которые имеют те же свойства. производительность с точки зрения активности и стабильности», — говорит Роман-Лешков. Команда говорит, что они нашли материалы, которые обеспечивают именно такое сочетание характеристик.

По словам Романа-Лешкова, другие группы исследовали использование гидроксидов металлов, таких как гидроксиды никеля и железа. Но такие материалы трудно адаптировать к требованиям конкретных приложений. Теперь, однако, «причина, по которой наша работа весьма интересна и весьма актуальна, заключается в том, что мы нашли способ адаптировать свойства путем уникального наноструктурирования этих гидроксидов металлов».

Команда позаимствовала результаты исследований, проведенных на родственном классе соединений, известных как металлоорганические каркасы (MOF), которые представляют собой своего рода кристаллическую структуру, состоящую из узлов оксида металла, связанных вместе с молекулами органического линкера.

Команда обнаружила, что заменив оксид металла в таких материалах гидроксидами определенных металлов, стало возможным создавать точно настраиваемые материалы, которые также обладали необходимой стабильностью, чтобы быть потенциально полезными в качестве катализаторов.

«Вы кладете эти цепочки этих органических линкеров рядом друг с другом, и они фактически направляют образование листов гидроксида металла, которые взаимосвязаны с этими органическими линкерами, которые затем складываются и имеют более высокую стабильность», — говорит Роман-Лешков. По его словам, это имеет множество преимуществ, позволяя точно контролировать наноструктурные узоры, позволяя точно контролировать электронные свойства металла, а также обеспечивая большую стабильность, позволяя им выдерживать длительные периоды использования.

По словам Шао-Хорна, при тестировании таких материалов исследователи обнаружили, что характеристики катализаторов «неожиданны». «Это сравнимо с современными оксидными материалами, катализирующими реакцию выделения кислорода».

Анализ материалов

По их словам, состоящие в основном из никеля и железа, эти материалы должны быть как минимум в 100 раз дешевле, чем существующие катализаторы, хотя команда еще не провела полный экономический анализ.

Это семейство материалов «действительно предлагает новое пространство для настройки активных центров для катализа расщепления воды для производства водорода с уменьшенным потреблением энергии», — говорит Шао-Хорн, — чтобы удовлетворить точные потребности любого конкретного химического процесса, где необходимы такие катализаторы.

• По словам Пэна, материалы могут обеспечить «в пять раз большую гибкость», чем существующие катализаторы на основе никеля, просто заменяя никель в соединении другими металлами. «Это потенциально может предложить множество соответствующих направлений для будущих открытий».
• Материалы также могут быть изготовлены в виде очень тонких листов, которые затем могут быть нанесены на другой материал, что еще больше снижает стоимость материалов для таких систем.
• До сих пор материалы были протестированы в небольших лабораторных испытательных устройствах, и сейчас команда решает проблемы, связанные с попыткой масштабировать процесс до коммерчески значимых масштабов, что может занять несколько лет. Но у этой идеи есть большой потенциал, говорит Шао-Хорн, чтобы помочь катализировать производство чистого водородного топлива без выбросов, чтобы «мы могли снизить стоимость водорода в этом процессе, не ограничиваясь доступностью драгоценных металлов. Это важно, потому что нам нужны масштабируемые технологии производства водорода».

В исследовательскую группу входили другие сотрудники Массачусетского технологического института, Стокгольмского университета в Швеции, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Института физики ионных пучков и исследования материалов в Дрездене, Германия. Работа была поддержана Исследовательским институтом Toyota.

Источник

Метки: Катализаторы