De overgang van fossiele brandstoffen naar een schone waterstofeconomie vereist goedkopere en efficiëntere manieren om hernieuwbare bronnen van elektriciteit te gebruiken om water op te splitsen in waterstof en zuurstof.

Maar een belangrijke stap in dat proces, bekend als de zuurstofevolutiereactie of OER, blijkt een knelpunt te zijn. Vandaag is het slechts ongeveer 75% efficiënt, en de edelmetaalkatalysatoren die worden gebruikt om de reactie te versnellen, zoals platina en iridium, zijn zeldzaam en duur.

Nu heeft een internationaal team onder leiding van wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een reeks geavanceerde tools ontwikkeld om dit knelpunt te doorbreken en andere energiegerelateerde processen te verbeteren, zoals het vinden van manieren om lithium-ionbatterijen sneller op te laden. Het onderzoeksteam beschreef hun werk vandaag in Nature.

Werken bij Stanford, SLAC, DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en Warwick University in het VK, ze konden inzoomen op individuele katalysator-nanodeeltjes - in de vorm van kleine platen en ongeveer 200 keer kleiner dan een rode bloedcel - en kijken hoe ze de aanmaak van zuurstof versnellen in op maat gemaakte elektrochemische cellen, inclusief een die in een druppel water past.

Ze ontdekten dat de meeste katalytische activiteit plaatsvond aan de randen van deeltjes, en ze waren in staat om de chemische interacties tussen het deeltje en de omringende elektrolyt te observeren op een schaal van miljardsten van een meter terwijl ze de spanning opvoerden om de reactie aan te drijven.

Door hun observaties te combineren met eerder computerwerk dat is uitgevoerd in samenwerking met het SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis bij SLAC en Stanford, ze waren in staat om een ​​enkele stap in de reactie te identificeren die de snelheid ervan beperkt.

"Deze reeks methoden kan ons vertellen waar, wat en waarom van hoe deze elektrokatalytische materialen werken onder realistische bedrijfsomstandigheden, " zei Tyler Mefford, een stafwetenschapper bij Stanford en het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC die het onderzoek leidde. "Nu we hebben geschetst hoe dit platform te gebruiken, de toepassingen zijn enorm breed."

Opschalen naar een waterstofeconomie

Het idee om elektriciteit te gebruiken om water af te breken in zuurstof en waterstof dateert uit 1800, toen twee Britse onderzoekers ontdekten dat ze elektrische stroom konden gebruiken die werd opgewekt door de nieuw uitgevonden stapelbatterij van Alessandro Volta om de reactie aan te drijven.

Dit proces, elektrolyse genoemd, werkt net als een omgekeerde batterij:in plaats van elektriciteit op te wekken, het gebruikt elektrische stroom om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De reacties die waterstof en zuurstofgas genereren, vinden plaats op verschillende elektroden met verschillende edelmetaalkatalysatoren.

Waterstofgas is een belangrijke chemische grondstof voor de productie van ammoniak en het raffineren van staal, en wordt steeds vaker gebruikt als schone brandstof voor zwaar transport en langdurige energieopslag. Maar meer dan 95% van de waterstof die tegenwoordig wordt geproduceerd, is afkomstig van aardgas via reacties waarbij koolstofdioxide als bijproduct wordt uitgestoten. Opwekking van waterstof door elektrolyse van water aangedreven door elektriciteit uit zonne-energie, wind, en andere duurzame bronnen zouden de koolstofemissies in een aantal belangrijke industrieën aanzienlijk verminderen.

Maar om waterstofbrandstof te produceren uit water op een schaal die groot genoeg is om een ​​groene economie aan te drijven, wetenschappers zullen de andere helft van de watersplitsingsreactie - degene die zuurstof genereert - veel efficiënter moeten maken, en manieren vinden om het te laten werken met katalysatoren die zijn gebaseerd op veel goedkopere en meer overvloedige metalen dan de metalen die tegenwoordig worden gebruikt.

"Er zijn niet genoeg edelmetalen in de wereld om deze reactie op de gewenste schaal aan te drijven, "Mefford zei, "en hun kosten zijn zo hoog dat de waterstof die ze genereren nooit zou kunnen concurreren met waterstof afkomstig van fossiele brandstoffen."

Om het proces te verbeteren, is een veel beter begrip nodig van de werking van watersplitsende katalysatoren. in voldoende detail dat wetenschappers kunnen voorspellen wat er kan worden gedaan om ze te verbeteren. Tot nu, veel van de beste technieken voor het maken van deze waarnemingen werkten niet in de vloeibare omgeving van een elektrokatalytische reactor.

In dit onderzoek, wetenschappers hebben verschillende manieren gevonden om die beperkingen te omzeilen en een scherper beeld te krijgen dan ooit tevoren.

Nieuwe manieren om katalysatoren te bespioneren

De katalysator die ze kozen om te onderzoeken was kobaltoxyhydroxide, die kwam in de vorm van platte, zeszijdige kristallen genaamd nanoplatelets. De randen waren scherp en extreem dun, dus het zou gemakkelijk zijn om te onderscheiden of een reactie plaatsvond aan de randen of op het platte oppervlak.

Ongeveer een decennium geleden, De onderzoeksgroep van Patrick Unwin aan de Universiteit van Warwick had een nieuwe techniek uitgevonden om een ​​miniatuur elektrochemische cel in een druppel op nanoschaal te plaatsen die uit de punt van een pipetbuisje steekt. Wanneer de druppel in contact wordt gebracht met een oppervlak, het apparaat beeldt de topografie van het oppervlak en elektronische en ionische stromen af ​​met een zeer hoge resolutie.

Voor deze studie is Het team van Unwin heeft dit kleine apparaat aangepast om te werken in de chemische omgeving van de zuurstofevolutiereactie. Postdoctorale onderzoekers Minkyung Kang en Cameron Bentley verplaatsten het van de ene naar de andere plaats over het oppervlak van een enkel katalysatordeeltje terwijl de reactie plaatsvond.

"Onze techniek stelt ons in staat om in te zoomen om extreem kleine reactiviteitsgebieden te bestuderen, " zei Kang, die daar de experimenten leidde. "We kijken naar zuurstofopwekking op een schaal die meer dan honderd miljoen keer kleiner is dan typische technieken."

Ze ontdekten dat, zoals vaak het geval is voor katalytische materialen, alleen de randen waren actief bezig met het promoten van de reactie, wat suggereert dat toekomstige katalysatoren dit soort scherpe, dunne eigenschap.

In de tussentijd, Stanford en SIMES-onderzoeker Andrew Akbashev gebruikten elektrochemische atoomkrachtmicroscopie om te bepalen en te visualiseren hoe de katalysator tijdens het gebruik van vorm en grootte veranderde. en ontdekte dat de reacties die de katalysator aanvankelijk in zijn actieve toestand veranderden, heel anders waren dan eerder werd aangenomen. In plaats van dat protonen de katalysator verlaten om de activering te starten, hydroxide-ionen gingen eerst in de katalysator, het vormen van water in het deeltje waardoor het opzwelt. Naarmate het activeringsproces vorderde, dit water en resterende protonen werden teruggedreven.

In een derde reeks experimenten, het team werkte samen met David Shapiro en Young-Sang Yu bij Berkeley Lab's Advanced Light Source en met een bedrijf in Washington, Kolibrie Wetenschappelijk, om een ​​elektrochemische stroomcel te ontwikkelen die kan worden geïntegreerd in een scanning-transmissie-röntgenmicroscoop. Hierdoor konden ze de oxidatietoestand van de werkende katalysator in kaart brengen - een chemische toestand die wordt geassocieerd met katalytische activiteit - in gebieden met een diameter van slechts ongeveer 50 nanometer.

"We kunnen nu beginnen met het toepassen van de technieken die we in dit werk hebben ontwikkeld voor andere elektrochemische materialen en processen, " zei Mefford. "We zouden ook graag andere energiegerelateerde reacties willen bestuderen, zoals snel opladen in batterij-elektroden, vermindering van koolstofdioxide voor het afvangen van koolstof, en zuurstofreductie, waardoor we waterstof kunnen gebruiken in brandstofcellen."