Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers ontwikkelen goedkope en efficiënte ethanolkatalysatoren uit lasergesmolten nanodeeltjes

Opeenvolgende fasen van agglomeratie van nanodeeltjes van koper en zijn oxiden, die plaatsvinden in de eerste 200 picoseconden van het lasersmelten:bovenaan in microscopische beelden (mag. 50.000x), onderaan in computersimulatie. Credit:IFJ PAN

Ethanolbrandstofcellen worden beschouwd als veelbelovende bronnen van groene elektriciteit. Bij de productie ervan worden echter dure platinakatalysatoren gebruikt. Onderzoek naar het lasersmelten van suspensies, uitgevoerd aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, heeft onderzoekers naar materialen geleid die ethanol katalyseren met een vergelijkbare – en mogelijk zelfs grotere – efficiëntie als platina, maar toch zijn gemaakt van een element dat is vele malen goedkoper dan platina.



Wanneer laserpulsen een suspensie van nanodeeltjes bestralen, kunnen de deeltjes in de suspensie beginnen te smelten en permanent aan elkaar plakken, terwijl ze snel min of meer complexe chemische reacties ondergaan. Een van de recente materialen die op deze manier zijn verkregen, geproduceerd aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, blijkt een onverwacht hoge efficiëntie te hebben bij het katalyseren van ethanol, een verbinding die wordt beschouwd als een veelbelovende energiebron. bron voor brandstofcellen.

Ethanol is een brandstof met veel voordelen:het kan op een hernieuwbare manier worden geproduceerd (bijvoorbeeld uit biomassa), het kan gemakkelijk worden opgeslagen en heeft een lage toxiciteit. Wat echter van bijzonder belang is, is het feit dat uit een massa-eenheid ethanol tot meerdere malen de hoeveelheid elektriciteit kan worden gewonnen in vergelijking met de huidige populaire energiebronnen.

Elektriciteit in door ethanol aangedreven brandstofcellen wordt gegenereerd door processen die verband houden met de oxidatie van deze alcohol op de katalysatorlaag van de reactie. Helaas maken de huidige katalysatoren de snelle en volledige oxidatie van ethanol tot water en kooldioxide niet mogelijk. Als gevolg hiervan slagen de cellen er niet alleen niet in om de maximale efficiëntie te bereiken, maar produceren ze ook ongewenste bijproducten die zich op de katalysator afzetten en na verloop van tijd leiden tot het verdwijnen van de eigenschappen ervan.

"Een aanzienlijk obstakel voor het commerciële succes van ethanolcellen is ook hun prijs. De katalysator die we hebben gevonden kan een aanzienlijke impact hebben op de reductie ervan en bijgevolg op de beschikbaarheid van nieuwe cellen op de consumentenmarkt. Dit komt omdat het hoofdbestanddeel ervan is geen platina, maar koper, dat bijna 250 keer goedkoper is dan platina", zegt Dr. Mohammad Shakeri (IFJ PAN), eerste auteur van het artikel in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

De prestatie van wetenschappers van de IFJ PAN is het resultaat van onderzoek naar lasercontrole van de grootte en chemische samenstelling van agglomeraten in suspensies. Het belangrijkste idee achter de lasernanosynthese van composieten is de bestraling van een suspensie die agglomeraten van nanodeeltjes van een specifieke chemische stof bevat met pulsen van ongericht laserlicht met op de juiste manier geselecteerde parameters.

De op de juiste manier geleverde energie zorgt ervoor dat de temperatuur van de deeltjes stijgt, ze smelten op het oppervlak en klonteren samen tot steeds grotere structuren, die snel afkoelen bij contact met de omringende koele vloeistof. De temperatuur die de deeltjes bereiken, wordt bepaald door vele factoren, waaronder de energie van de fotonen die door de laser worden uitgezonden, de intensiteit van de straal, de frequentie en lengte van de pulsen, en zelfs de grootte van de agglomeraten in suspensie.

Credit :Poolse Academie van Wetenschappen

“Afhankelijk van de temperatuur die de agglomeraten bereiken, kunnen er naast veranderingen van puur structurele aard ook verschillende chemische reacties in het materiaal plaatsvinden. In ons onderzoek hebben we ons gericht op de meest nauwkeurige theoretische en experimentele analyse van de fysische en chemische verschijnselen in suspensies waarin pulsen van laserlicht werden geabsorbeerd door nanodeeltjes van koper en zijn oxiden", legt Dr. Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN) uit.

In het geval van echte oplossingsdeeltjes vindt de temperatuurstijging plaats in nanoseconden, te snel om te kunnen meten. In deze situatie werden theoretische moleculaire dynamica-analyses de eerste stap in het begrijpen van de onderzochte kopersystemen, in latere stadia ondersteund door simulaties uitgevoerd door het Prometheus-computercluster uit Krakau.

Dankzij deze gegevens bepaalden de onderzoekers tot welke temperaturen de agglomeraten van verschillende groottes zouden opwarmen en welke verbindingen zich daarbij zouden kunnen vormen. Bovendien controleerden ze of deze verbindingen thermodynamisch stabiel zouden zijn of verdere transformaties zouden ondergaan. De natuurkundigen gebruikten de opgedane kennis om een ​​reeks experimenten voor te bereiden waarin nanodeeltjes van koper en zijn oxiden in verschillende verhoudingen met een laser werden gesmolten.

De verkregen composietmaterialen zijn onder meer getest in de laboratoria van de IFJ PAN en in de Krakau SOLARIS cyclotron om de mate van oxidatie van koperverbindingen te bepalen. Met de verkregen informatie konden de onderzoekers de optimale katalysator identificeren. Dit bleek een driecomponentensysteem te zijn, opgebouwd uit de juiste hoeveelheden koper en zijn oxiden van de eerste en tweede oxidatietoestand (d.w.z. Cu2 O en CuO).

"Vanuit het oogpunt van efficiëntie van ethanolkatalyse was de cruciale ontdekking dat deeltjes van koperoxide Cu2 O3 , die doorgaans thermodynamisch zeer onstabiel zijn, waren aanwezig in ons materiaal. Enerzijds worden ze gekenmerkt door een extreem hoge mate van oxidatie, anderzijds vonden we ze vooral op het oppervlak van de Cu2 O-deeltjes, wat in de praktijk betekent dat ze zeer goed contact hadden met de oplossing. Het zijn deze Cu2 O3 deeltjes die de adsorptie van de alcoholmoleculen en het verbreken van de koolstof-waterstofbindingen daarin vergemakkelijken", zegt Dr. Shakeri.

Tests op de eigenschappen van de katalysator geproduceerd door natuurkundigen uit Krakau eindigden met optimistische resultaten. Het geselecteerde composiet behield het vermogen om ethanol volledig te oxideren, zelfs na enkele uren gebruik. Bovendien bleek de elektrokatalytische efficiëntie vergelijkbaar met die van hedendaagse platinakatalysatoren.

Vanuit wetenschappelijk perspectief is dit resultaat ronduit verbazingwekkend. Katalyse verloopt doorgaans efficiënter naarmate het oppervlak van de agglomeraten groter is, wat te maken heeft met de fragmentatie van hun structuur. Het bestudeerde composiet was echter niet nanometer groot, maar enkele ordes van grootte groter, submicron groot. Het lijkt daarom waarschijnlijk dat als natuurkundigen er in de toekomst in slagen de deeltjesgrootte te verkleinen, de efficiëntie van de nieuwe katalysator nog verder zou kunnen toenemen.

Meer informatie: Mohammad Sadegh Shakeri et al., Alternatieve lokale smelt-stolling van zwevende nanodeeltjes voor heterostructuurvorming mogelijk gemaakt door gepulseerde laserbestraling, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202304359

Journaalinformatie: Geavanceerde functionele materialen

Aangeboden door de Poolse Academie van Wetenschappen




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waarom is chemie belangrijk voor de studie van anatomie en fysiologie?
  2. Haaien evolueerden vliegtuigachtige attributen om in habitats te passen
  3. Uit onderzoek blijkt dat sommige bomen oververhit raken in warmere regenwouden
  4. De betekenis van Penta E
  5. Een dodelijke ziekte heeft zeven Australische kikkersoorten met uitsterven gedreven. Maar deze bedreigde kikker vecht terug
  6. Aminozuursupplement is een sleutel tot reproductieve gezondheid bij melkkoeien
  7. Vechten of vluchten? Hoe vogels de mysteries van evolutie helpen onthullen
  8. Nieuw apparaat zoomt in op microbengedrag op de juiste schaal
  9. Hoe wordt een darmmicrobe een ziekteverwekker?

Wetenschap