Science >> Wetenschap >  >> Chemie

Nieuw inzicht in elektrochemische reacties – het bevorderen van de groene transitie

Een zuurstofmolecuul (roze) bindt zich aan een kaliumion (groen) op het platina-watergrensvlak. Credit:Marko Melander

Elektrochemische reacties staan ​​centraal in groene transities. Deze reacties maken gebruik van elektrische stroom en potentiaalverschil om chemische reacties uit te voeren, waardoor elektrische energie uit chemische bindingen kan worden gebonden en gerealiseerd. Deze chemie vormt de basis voor verschillende toepassingen, zoals waterstoftechnologie, batterijen en verschillende aspecten van de circulaire economie.



Ontwikkelingen en verbeteringen in deze technologieën vereisen gedetailleerd inzicht in de elektrochemische reacties en de verschillende factoren die daarop van invloed zijn. Recente onderzoeken hebben aangetoond dat, naast het elektrodemateriaal, het gebruikte oplosmiddel, de zuurgraad ervan en de gebruikte elektrolytionen een cruciale invloed hebben op de efficiëntie van elektrochemische reacties.

Daarom is de recente focus verschoven naar het bestuderen van hoe de elektrochemische grensvlakken, bijvoorbeeld de reactieomgeving aan de elektrode en het elektrolytgrensvlak, de uitkomst van elektrochemische reacties beïnvloeden.

Kooldioxide omzetten

Het begrijpen van de grensvlakchemie met alleen experimentele methoden is uiterst moeilijk, omdat ze erg dun zijn, slechts een fractie van een nanometer. Computationeel en theoretisch zijn daarom van cruciaal belang omdat ze een nauwkeurige manier bieden om de elektrochemische grensvlakken op atomair niveau en als functie van de tijd te bestuderen.

De langetermijnontwikkeling van methoden en theorieën bij de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Jyväskylä (Finland) heeft een nieuw inzicht opgeleverd in de chemie van elektrochemische grensvlakken, in het bijzonder de elektrolytioneffecten.

"Onze twee recente onderzoeksartikelen hebben zich gericht op de elektrolyt-ioneffecten in de zuurstof- en kooldioxidereductiereacties, die de efficiëntie van brandstofcellen, de waterstofperoxidesynthese en de omzetting van kooldioxide in koolstofneutrale chemicaliën en brandstoffen bepalen", zegt de Onderzoeksmedewerker Marko Melander van de Academie van Finland van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Jyväskylä.

Het elektrochemische grensvlak is een zeer complexe reactieomgeving waarin verschillende interacties en processen bijdragen aan een chemische reactie. Credit:Marko Melander

Combinatie van experimentele en computationele resultaten

Onderzoekers van de Universiteit van Jyväskylä hebben samengewerkt met experimentele en computationele groepen om de elektrolyteffecten te begrijpen. Het werk is onlangs gepubliceerd in tijdschriften, Nature Communications en Angewandte Chemie International Edition .

"In beide onderzoeken hebben we ons geconcentreerd op de fundamentele eigenschappen en onderzoek, wat het gebruik van zeer nauwkeurige en veeleisende experimenten en de combinatie daarvan met de nieuwste simulatiemethoden noodzakelijk maakte. We konden bijvoorbeeld voor het eerst experimenten combineren en simulaties van kwantummechanische kinetische isotoopeffecten van waterstof om de zuurstofreductiereactie te begrijpen. We hebben ook geavanceerde computationele methoden ontwikkeld en toegepast om de reorganisatie van de waterige elektrolytoplossingen te simuleren om gedetailleerd inzicht te krijgen in hun gezamenlijke effect op het reactiemechanisme", legt Melander uit. .

Nieuwe wetenschappelijke kennis over elektrochemische reacties

Dit onderzoek geeft een atomistisch beeld van hoe elektrolyten elektrochemische reacties beïnvloeden. Eén geïdentificeerd mechanisme is de vorming van bindingen tussen een ion en het reagerende molecuul.

"We konden aantonen dat zowel de ionen de structuur en de dynamiek van zowel het elektrodeoppervlak als het grensvlakwater controleren door middel van niet-covalente interacties. Deze tamelijk zwakke interacties bepalen vervolgens het reactiepad, de snelheid en de selectiviteit, en bepalen daarmee de activiteit." en de uitkomst van elektrochemische reacties", legt Melander uit.

Mogelijkheden voor het ontwikkelen van technologieën voor hernieuwbare energie

Hoewel dit onderzoek zich richtte op de fundamentele aspecten van elektrochemische systemen, kan het de ontwikkeling van verbeterde elektrochemische technologieën bevorderen.

"Het gebruik van ion- en oplosmiddeleffecten kan een manier bieden om de reactiviteit en selectiviteit van elektrochemische reacties aan te passen. De elektrolyt kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de zuurstofreductiereactie te richten op brandstofcellen of toepassingen voor de synthese van waterstofperoxide. De elektrolytchemie is ook een effectieve manier om de CO2-reductie richting de gewenste, waardevolle producten te sturen”, zegt Melander.

Meer informatie: Xueping Qin et al, Door kationen geïnduceerde veranderingen in de mechanismen van de elektrokatalytische CO2-reductie binnen en buiten de sfeer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43300-4

Tomoaki Kumeda et al, Kationen bepalen het mechanisme en de selectiviteit van alkalische zuurstofreductiereactie op Pt(111)**, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312841

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie , Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Jyväskylä




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waarom kan je jezelf niet kietelen?
  2. Woestijnsprinkhanen - nieuwe risico's in het licht van klimaatverandering
  3. MATE-transporter vergemakkelijkt het transport van bitter saponine van cytoplasma naar vacuole
  4. De celstructuur van een ui
  5. Wetenschapper duikt in honderden onderwatergrotten op zoek naar nieuwe vormen van leven
  6. Klimaatverandering bestrijden met hittebestendige planten
  7. Welk proces voeren Ribosomes uit?
  8. Honden kunnen dementie krijgen, maar veel wandelen kan het risico verlagen
  9. Onderzoekers lokaliseren genetische mutatie bij chronische nachtbrakers

Wetenschap