Изследователи постигнаха ключов напредък по пътя на устойчивите водородни технологии

1
722

Ефективното масово производство на водород от вода е по-близо до реализацията, благодарение на изследователите и сътрудниците от Държавния университет в Орегон, САЩ и техните сътрудници от университета Корнел и Националната лаборатория в Аргон.

Учените са използвани усъвършенствани експериментални инструменти, за да получат по-ясно разбиране за електрохимичния каталитичен процес, който е по-чист и по-устойчив от метода на получаване на водород от природен газ.

Констатациите са публикувани вчера в Science Advances.

Водородът се намира в широк спектър от съединения на Земята, като най-често се комбинира с кислород, за да се получи веществото диводороден оксид (H2O) или обикновената вода, която всички познаваме, но той също така има много научни, индустриални и свързани с енергетиката роли. Също така се среща под формата на въглеродни съединения, състоящи се от водород и въглерод, като метан, основният компонент на природния газ.

„Производството на водород е важно за много аспекти от нашия живот, като например горивни клетки за автомобили и производството на много полезни химикали като амоняк“, казва професорът по химическо инженерство от щата Орегон Zhenxing Feng, който е ръководител на проучването. „Използване се при рафинирането на метали, за производството на изкуствени материали като пластмаси и за редица други цели.“

Според данни от Министерството на енергетиката Съединените щати произвеждат по-голямата част от своя водород от източници на метан, като природния газ, чрез техника, известна като „реформиране на метан чрез пара“. Процесът включва подлагане на метана на пара под налягане в присъствието на катализатор, създавайки реакция, която води до получаване на крайни продукти водород и въглероден оксид, както и малко количество въглероден диоксид.

Следващият етап се нарича „реакция на заместване вода-газ“, при която въглеродният окис и парата реагират чрез различен катализатор, образувайки въглероден диоксид и допълнителен водород. В последната стъпка се отстраняват въглеродния диоксид, адсорбцията с променливо налягане и други примеси, оставайки след себе си чист водород.

„В сравнение с реформирането на природен газ, използването на електричество от възобновяеми източници за разделяне на молекулата на водата, с цел получаване на водород, е по-чисто и по-устойчиво“, казва Фън. „Ефективността на разделянето на водата обаче е ниска, главно поради високия свръхпотенциал – разликата между действителния потенциал и теоретичния потенциал на електрохимичната реакция – на една ключова полуреакция в процеса, реакцията на отделяне на кислород или OER.“, допълва той.

Полуреакцията е една от двете части на редукционно-окислителната реакция, при която електроните се прехвърлят между два реагента; редукцията се отнася до получаването на електрони, а при окисляването имаме загуба на електрони.

Понятието полуреакции често се използва, за да опише какво се случва в електрохимичната клетка, а полуреакциите обикновено се използват като начин за балансиране на окислително-възстановителните реакции. Свръхпотенциалът е границата между теоретичното напрежение и действителното напрежение, необходими за предизвикване на електролиза – химическа реакция, задвижвана чрез прилагане на електрически ток.

„Електрокатализаторите са от решаващо значение за насърчаване на реакцията на разделяне на водата чрез намаляване на свръхпотенциала, но разработването на високоефективни електрокатализатори далеч не е просто“, казва Фън. „Едно от основните препятствия е липсата на информация относно променящата се структура на електрокатализаторите по време на електрохимичните реакции. Разбирането на структурата и химическите промени на електрокатализатора по време на OER (реакцията на отделяне на кислород) е от съществено значение за разработването на висококачествени материали за електрокатализатори, както и за постигането на енергийна устойчивост.“

Фън и сътрудниците му са използвали набор от усъвършенствани инструменти за характеризиране, за да проследят атомната структурна еволюция на най-актуалния OER електрокатализатор, стронциевия иридат (SrIrO3) в киселинен електролит.

„Искахме да разберем произхода на неговата рекордно висока активност на OER – 1000 пъти по-/висока от обичайния търговски катализатор, иридиевия оксид“, казва Фън.

Наблюденията са спомогнали за по-дълбоко разбиране на това, което се случва зад способността на стронциевия иридат да работи толкова добре като катализатор.

„Нашата подробна констатация в атомен мащаб обяснява как активния слой на стронциевия иридат сочи критичната роля на решетъчната кислородна активация и свързаната йонна дифузия при образуването на активните OER единици“, казва той.

Фън добавя, че работата дава представа за това как приложеният потенциал улеснява образуването на функционалните аморфни слоеве на електрохимичния интерфейс и може да доведе до по-добри възможности за катализатори.

Въглерода като устойчиво спасение

Мнозина учени, експерти и предприемачи залагат големи надежди на водородни горива и технологиите, за производство на енергия на базата на водорода, като според мнозина автомобилите и електроцентралите, използващи водородно горене, биха могли да са решението за екологично спасяване на планетата и зелен рестарт на икономиката на Земята. Изследователската работа, с която се запознаваме сега, може да бъде от съществено значение за постигането на нови технологии, и усъвършенстването на настоящи, за използване на водорода като горивен източник на енергия. Предстои да разберем какъв ще бъде отзвука от работата в научните среди.

5 1 глас
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
1 Коментар
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари