In werk dat efficiëntere, milieuvriendelijkere processen zou kunnen inluiden voor de productie van belangrijke metalen zoals lithium, ijzer en kobalt, hebben onderzoekers van MIT en SLAC in kaart gebracht wat er op atomair niveau gebeurt achter een bijzonder veelbelovende benadering die metaalelektrolyse wordt genoemd.

Door kaarten te maken voor een breed scala aan metalen, bepaalden ze niet alleen welke metalen het gemakkelijkst te produceren zouden zijn met deze aanpak, maar identificeerden ze ook fundamentele barrières achter de efficiënte productie van andere. Hierdoor zou de kaart van de onderzoekers een belangrijk ontwerpinstrument kunnen worden om de productie van al deze metalen te optimaliseren.

Het werk zou ook kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van metaal-luchtbatterijen, verwanten van de lithium-ionbatterijen die tegenwoordig in elektrische voertuigen worden gebruikt.

De meeste metalen die tegenwoordig van cruciaal belang zijn voor de samenleving, worden geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen. Deze brandstoffen genereren de hoge temperaturen die nodig zijn om het oorspronkelijke erts om te zetten in het gezuiverde metaal. Maar dat proces is een belangrijke bron van broeikasgassen - staal alleen is verantwoordelijk voor zo'n zeven procent van de CO2-uitstoot wereldwijd. Als gevolg hiervan werken onderzoekers van over de hele wereld aan het identificeren van meer milieuvriendelijke manieren voor de productie van metalen.

Een veelbelovende aanpak is metaalelektrolyse, waarbij een metaaloxide, het erts, wordt gezapt met elektriciteit om puur metaal te maken met zuurstof als bijproduct. Dat is de reactie die op atomair niveau wordt onderzocht in het huidige onderzoek, dat wordt gerapporteerd in het nummer van 8 april 2022 van het tijdschrift Chemistry of Materials .

Donald Siegel is afdelingsvoorzitter en hoogleraar Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin. Zegt Siegel, die niet betrokken was bij de Chemistry of Materials studie:"Dit werk is een belangrijke bijdrage aan het verbeteren van de efficiëntie van de metaalproductie uit metaaloxiden. Het verduidelijkt ons begrip van koolstofarme elektrolyseprocessen door de onderliggende thermodynamica terug te leiden naar elementaire metaal-zuurstof-interacties. Ik verwacht dat dit werk zal helpen bij het creëren van ontwerpregels die deze industrieel belangrijke processen minder afhankelijk maken van fossiele brandstoffen."

Yang Shao-Horn, de JR East Professor of Engineering aan het Department of Materials Science and Engineering (DMSE) van het MIT en het Department of Mechanical Engineering van het MIT, is een leider van het huidige werk met Michal Bajdich van het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië.

"Hier willen we een basiskennis verwerven om de efficiëntie van elektrochemische metaalproductie en metaal-luchtbatterijen te voorspellen door berekende thermodynamische barrières voor de conversie tussen metaal en metaaloxiden te onderzoeken", zegt Shao-Horn, die deel uitmaakt van het onderzoeksteam voor MIT's nieuwe Center for Electrification and Decarbonization of Industry, een winnaar van de allereerste Climate Grand Challenges-competitie van het Instituut. Shao-Horn is ook verbonden aan MIT's Materials Research Laboratory en Research Laboratory of Electronics.

Naast Shao-Horn en Bajdich zijn andere auteurs van de Chemistry of Materials-paper Jaclyn R. Lunger, eerste auteur en een afgestudeerde DMSE-student, en Naomi Lutz en Jiayu Peng. Lutz behaalde haar bachelordiploma in werktuigbouwkunde aan het MIT in 2022. Peng is een afgestudeerde DMSE-student.

Andere toepassingen

Het werk zou ook kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van metaal-luchtbatterijen zoals lithium-lucht-, aluminium-lucht- en zink-luchtbatterijen. Deze neven van de lithium-ionbatterijen die in de huidige elektrische voertuigen worden gebruikt, hebben het potentieel om de luchtvaart te elektrificeren omdat hun energiedichtheid veel hoger is. Ze zijn echter nog niet op de markt vanwege een aantal problemen, waaronder inefficiëntie.

Bij het opladen van metaal-luchtbatterijen hoort ook elektrolyse. Als gevolg hiervan zou het nieuwe begrip van deze reacties op atomair niveau niet alleen ingenieurs kunnen helpen bij het ontwikkelen van efficiënte elektrochemische routes voor metaalproductie, maar ook om efficiëntere metaal-luchtbatterijen te ontwerpen.

Leren van watersplitsing

Elektrolyse wordt ook gebruikt om water te splitsen in zuurstof en waterstof, waarin de resulterende energie wordt opgeslagen. Die waterstof zou op zijn beurt een milieuvriendelijk alternatief kunnen worden voor fossiele brandstoffen. Omdat er veel meer bekend is over waterelektrolyse, de focus van Bajdich's werk bij SLAC, dan de elektrolyse van metaaloxiden, vergeleek het team de twee processen voor de eerste keer.

Het resultaat:"Langzaam ontdekten we de elementaire stappen die betrokken zijn bij metaalelektrolyse", zegt Bajdich. Het werk was uitdagend, zegt Lunger, omdat "het voor ons onduidelijk was wat die stappen zijn. We moesten uitzoeken hoe we van A naar B konden komen", of van een metaaloxide naar metaal en zuurstof.

Al het werk werd uitgevoerd met supercomputersimulaties. "Het is net een zandbak met atomen, en dan spelen we ermee. Het is een beetje zoals Lego", zegt Bajdich. Meer specifiek onderzocht het team verschillende scenario's voor de elektrolyse van verschillende metalen. Elk omvatte verschillende katalysatoren, moleculen die de snelheid van een reactie verhogen.

Lunger zegt:"Om de reactie te optimaliseren, wil je de katalysator vinden die deze het meest efficiënt maakt." De kaart van het team is in wezen een gids voor het ontwerpen van de beste katalysatoren voor elk verschillend metaal.

Wat is het volgende? Lunger merkte op dat het huidige werk gericht was op de elektrolyse van zuivere metalen. "Ik ben geïnteresseerd in wat er gebeurt in complexere systemen met meerdere metalen. Kun je de reactie efficiënter maken als er natrium en lithium aanwezig zijn, of cadmium en cesium?" + Verder verkennen

Een nieuwe, goedkope katalysator versnelt de productie van zuurstof uit water