Используются методы электрохимии для разработки катализаторов для устойчивого топлива

Прочитано: 153 раз(а)


Одной из проблем обезуглероживания энергетической системы является знание того, как обращаться с новыми видами топлива. Традиционные виды топлива, такие как природный газ и нефть, можно комбинировать с другими материалами, а затем нагревать до высоких температур, чтобы они вступали в химическую реакцию с образованием других полезных видов топлива или веществ или даже энергии для выполнения работы. Но новые материалы, такие как биотопливо, не могут выдерживать столько тепла, не разрушаясь.

Ключевым ингредиентом в таких химических реакциях является специально разработанный твердый катализатор, который добавляется, чтобы стимулировать протекание реакции, но сам не расходуется в процессе. В традиционных материалах твердый катализатор обычно взаимодействует с газом; но с топливом, полученным, например, из биомассы, катализатор должен работать с жидкостью — особая проблема для тех, кто проектирует катализаторы.

Почти десятилетие Йогеш Сурендранат, адъюнкт-профессор химии в Массачусетском технологическом институте, занимался химическими реакциями между твердыми катализаторами и жидкостями, но в другой ситуации: вместо того, чтобы использовать тепло для запуска реакций, он и его команда вводят электричество из батарея или возобновляемый источник, такой как ветер или солнце, чтобы дать химически неактивным молекулам больше энергии, чтобы они реагировали. И ключом к их исследованиям является разработка и изготовление твердых катализаторов, которые хорошо работают для реакций с участием жидкостей.

Признавая необходимость использования биомассы для разработки устойчивого жидкого топлива, Сурендранат задался вопросом, смогут ли он и его команда применить принципы, которые они узнали о разработке катализаторов для запуска реакций жидкость-твердое тело с помощью электричества, и применить их к реакциям, которые происходят на границах раздела жидкость-твердое без любой ввод электроэнергии.

К своему удивлению, они обнаружили, что их знания имеют прямое отношение. Почему? «Удивительно, но мы обнаружили, что даже когда вы не подключаете провода к своему катализатору, есть крошечные внутренние «провода», которые вызывают реакцию», — говорит Сурендранат. «Итак, реакции, которые, как обычно думают, происходят без какого-либо потока тока, на самом деле включают электроны, перемещающиеся из одного места в другое». А это означает, что Сурендранат и его команда могут использовать мощные методы электрохимии для решения проблемы разработки катализаторов для устойчивого топлива.

Новая гипотеза

Их работа была сосредоточена на классе химических реакций, важных для энергетического перехода, которые включают добавление кислорода к небольшим органическим (углеродсодержащим) молекулам, таким как этанол, метанол и муравьиная кислота. Принято считать, что реагент и кислород вступают в химическую реакцию с образованием продукта плюс вода. И твердый катализатор — часто комбинация металлов — присутствует, чтобы обеспечить места, на которых реагент и кислород могут взаимодействовать.

Но Сурендранат предложил другой взгляд на происходящее. В обычной установке два катализатора, каждый из которых состоит из множества наночастиц, устанавливаются на проводящую углеродную подложку и погружаются в воду. При таком расположении отрицательно заряженные электроны могут легко проходить через углерод, в то время как положительно заряженные протоны могут легко проходить через воду.

Гипотеза Сурендраната заключалась в том, что превращение реагента в продукт происходит посредством двух отдельных «полуреакций» на двух катализаторах. На одном катализаторе реагент превращается в продукт, посылая электроны в углеродный субстрат, а протоны в воду. Эти электроны и протоны улавливаются другим катализатором, где они приводят к превращению кислорода в воду. Таким образом, вместо одной реакции две отдельные, но скоординированные полуреакции вместе обеспечивают полное превращение реагента в продукт.

В результате общая реакция на самом деле не включает никакого чистого производства или потребления электронов. Это стандартная «тепловая» реакция, возникающая за счет энергии молекул и, возможно, некоторого дополнительного тепла. Традиционный подход к разработке катализатора для такой реакции будет сосредоточен на увеличении скорости превращения этого реагента в продукт. И лучшим катализатором такой реакции может оказаться, скажем, золото, или палладий, или какой-нибудь другой дорогой драгоценный металл.

Однако, если эта реакция на самом деле включает две полуреакции, как предположил Сурендранат, между ними существует поток электрического заряда (электронов и протонов). Таким образом, Сурендранат и другие специалисты в этой области могли вместо этого использовать методы электрохимии для разработки не единого катализатора для общей реакции, а двух отдельных катализаторов — одного для ускорения одной полуреакции, а другого для ускорения другой полуреакции. «Это означает, что нам не нужно разрабатывать один катализатор, чтобы выполнить всю тяжелую работу по ускорению всей реакции», — говорит Сурендранат. «Возможно, мы сможем соединить два недорогих катализатора с большим содержанием земли, каждый из которых хорошо выполняет половину реакции, и вместе они быстро и эффективно выполнят общее преобразование».

Но есть еще одно соображение: электроны могут проходить через весь каталитический композит, который включает в себя частицы катализатора и углеродную подложку. Чтобы химическая конверсия происходила как можно быстрее, скорость, с которой электроны вводятся в каталитический композит, должна точно соответствовать скорости, с которой они удаляются. Сосредоточившись только на электронах, если превращение реакции в продукт на первом катализаторе отправляет такое же количество электронов в секунду в «электронную ванну» в каталитическом композите, сколько занимает преобразование кислорода в воду на втором катализаторе. В противном случае две полуреакции будут уравновешены, а поток электронов и скорость объединенной реакции будут высокими.

«Хороший катализатор или пара катализаторов могут поддерживать электрический потенциал — по сути, напряжение, — при котором обе полуреакции протекают быстро и сбалансированы», — говорит доктор философии Джеюн Рю. 21 год, бывший сотрудник лаборатории Сурендранат и ведущий автор исследования; Сейчас Рю является постдоком в Гарвардском университете. «Скорости реакций равны, и напряжение в каталитическом композите не изменится во время общей термической реакции».

Рисование по электрохимии

Основываясь на своем новом понимании, Сурендранат, Рю и их коллеги обратились к методам электрохимии, чтобы определить хороший катализатор для каждой полуреакции, который также будет хорошо работать вместе. Их аналитическая основа для руководства разработкой катализаторов для систем, которые объединяют две полуреакции, основана на теории, которая использовалась для понимания коррозии в течение почти 100 лет, но редко применялась для понимания или разработки катализаторов для реакций с участием малых молекул, важных для энергетический переход.

Ключом к их работе является потенциостат, тип вольтметра, который может либо пассивно измерять напряжение в системе, либо активно изменять напряжение, вызывая реакцию. В своих экспериментах Сурендранат и его команда используют потенциостат для измерения напряжения катализатора в режиме реального времени, отслеживая, как оно изменяется от миллисекунды к миллисекунде. Затем они сопоставляют эти измерения напряжения с одновременными, но отдельными измерениями общей скорости катализа, чтобы понять путь реакции.

Для изучения превращения небольших молекул, связанных с энергией, они сначала протестировали ряд катализаторов, чтобы найти подходящие для каждой полуреакции: один для превращения реагента в продукт с образованием электронов и протонов, а другой для преобразования кислорода. воде, потребляя электроны и протоны. В каждом случае многообещающий кандидат будет давать быструю реакцию, то есть быстрый поток электронов и протонов наружу или внутрь.

Чтобы помочь определить эффективный катализатор для выполнения первой полуреакции, исследователи использовали свой потенциостат для ввода тщательно контролируемых напряжений и измерили результирующий ток, протекающий через катализатор. Хороший катализатор будет генерировать большой ток при небольшом приложенном напряжении ; плохой катализатор потребует высокого приложенного напряжения, чтобы получить такое же количество тока. Затем команда следовала той же процедуре, чтобы определить хороший катализатор для второй полуреакции.

Чтобы ускорить общую реакцию, исследователям нужно было найти два катализатора, которые хорошо подходили друг другу, где величина тока при заданном приложенном напряжении была высокой для каждого из них, гарантируя, что, поскольку один производил быстрый поток электронов и протонов, другой потреблял их с одинаковой скоростью.

Чтобы протестировать многообещающие пары, исследователи использовали потенциостат для измерения напряжения каталитического композита во время чистого катализа, не изменяя напряжение, как раньше, а просто измеряя его на крошечных образцах. В каждом тесте напряжение естественным образом стабилизируется на определенном уровне, и цель состоит в том, чтобы это произошло, когда скорость обеих реакций высока.

Проверка их гипотезы и взгляд в будущее

Проверив две полуреакции, исследователи смогли измерить, как скорость реакции для каждой из них менялась в зависимости от изменения приложенного напряжения. Из этих измерений они могли предсказать напряжение, при котором полная реакция будет протекать быстрее всего. Измерения полной реакции совпали с их предсказаниями, подтверждая их гипотезу.

Новый подход группы к использованию методов электрохимии для изучения реакций, которые, как считается, являются строго тепловыми по своей природе, дает новое представление о подробных этапах, посредством которых происходят эти реакции, и, следовательно, о том, как разрабатывать катализаторы для их ускорения. «Теперь мы можем использовать стратегию «разделяй и властвуй», — говорит Рю. «Мы знаем, что общая термическая реакция в нашем исследовании происходит посредством двух «скрытых», но связанных полуреакций, поэтому мы можем стремиться оптимизировать одну полуреакцию за раз» — возможно, используя недорогие каталитические материалы для одной или обеих.

Сурендранат добавляет: «Одна из вещей, которая нас воодушевила в этом исследовании, заключается в том, что результат сам по себе не является окончательным. Он действительно заложил основу для совершенно новой области нашей исследовательской программы, включая новые способы разработки катализаторов. для производства и преобразования возобновляемых видов топлива и химикатов».

Используются методы электрохимии для разработки катализаторов для устойчивого топлива



Новости партнеров