_ Noul spectrometru ajută la identificarea materiale catalizatoare alternative pentru pile de combustibil cu hidrogen la prețuri accesibile

Pilele de combustibil devin rapid o alternativă viabilă și curată de energie la combustibilii fosili utilizați în mod obișnuit, cum ar fi benzina, cărbunele și petrolul. Combustibilii fosili sunt resurse energetice neregenerabile care eliberează dioxid de carbon în atmosferă.

Pilele de combustie, totuși, se bazează mai degrabă pe o reacție electrochimică decât pe combustie, producând energie fără carbon. Una dintre barierele în calea extinderii acestei tehnologii pentru a fi viabilă din punct de vedere comercial este dependența actuală de metalele din grupul platinei (PGM) ca catalizatori. Datorită costului lor ridicat și a aprovizionării limitate, PGM reprezintă adesea 46% din costul de producție al pilelor de combustie.

Pentru a ajuta la abordarea acestei provocări, cercetătorii de la Universitatea Purdue, Departamentul de Energie al SUA (DOE) Laboratorul Național Oak Ridge și Laboratorul Național Brookhaven de la DOE au investigat catalizatorii cu carbon dopat cu fier și azot (Fe–N–C) ca o alternativă eficientă la catalizatorii pe bază de PGM.

În acest studiu, cercetătorii au folosit un nou instrument. a dezvoltat tehnica de spectroscopie cu raze X de înaltă rezoluție la linia de lumina Inner-Shell Spectroscopy (ISS) la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science la Brookhaven. Cercetătorii au reușit să analizeze structura electronică a acestui material catalizator cu adăugarea ionomerului Nafion, un material necesar pentru a controla mișcarea particulelor încărcate (ioni).

Rezultatele, publicate recent în ACS Applied Energy Materials, le-a oferit cercetătorilor o nouă perspectivă asupra comportamentului acestor materiale, ajutându-și la perfecționarea căutării unei alternative PGM cu costuri reduse, cu activitate, selectivitate și stabilitate ridicate.

„Sisteme Fe–N–C”. au fost studiate intens de mai multe grupuri de cercetare”, a spus Yulia Pushkar, profesor de fizică la Universitatea Purdue și autorul principal al acestei lucrări. „Cu toate acestea, fundamentul adevăratului centru catalitic, care ar conține un atom de fier, dar ar funcționa la fel de bine ca platina într-o reacție de reducere a oxigenului, nu a fost niciodată complet stabilit în această clasă extrem de promițătoare de materiale. Provocarea și misterul acestei probleme au atras atenția mea.”

Pentru a înțelege de ce acești catalizatori sunt atât de importanți, vă ajută să aflați puțin mai multe despre cum funcționează celulele de combustie. O sursă de combustibil, cum ar fi hidrogenul, va intra în sistem pe partea electrodului negativ („anod”). Catalizatorul de la anod împarte apoi molecula de hidrogen în protoni încărcați pozitiv și electroni încărcați negativ. Electronii sunt eliberați printr-un circuit extern, în timp ce protonii trec printr-un material electrolit care nu lasă electronii să treacă. La catod, capătul pozitiv al celulei, catalizatorul combină protonii și electronii cu oxigenul din aer. Reacția, cunoscută sub numele de reacție de reducere a oxigenului, eliberează energie și, ca produs secundar, apă.

Hidrogenul are, de asemenea, o densitate energetică mare – de trei ori mai mare decât cea a benzinei. Capacitatea de a valorifica eficient puterea hidrogenului ar putea fi un pas semnificativ în calea reducerii emisiilor de carbon. Găsirea materialului potrivit pentru extinderea producției de catalizator a reprezentat totuși o provocare semnificativă.

Există în prezent mai multe tehnologii de celule de combustie alimentate cu hidrogen, dar celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni par a fi cele mai promițătoare. Sunt ușor de făcut, funcționează la temperaturi relativ scăzute și funcționează eficient. Cele mai eficiente materiale catalizatoare pentru aceste celule de combustibil sunt totuși fabricate din PGM, care sunt electrocatalizatori excelenți, dar furnizarea lor limitată și costul ridicat interzic producția la scară largă.

Cercetătorii s-au străduit din greu în căutarea alternativelor cu costuri reduse care nu numai că oferă performanțe comparabile, dar sunt și la fel de stabile și robuste. Acest lucru este deosebit de relevant în aplicații precum vehiculele electrice, unde cererea de performanță este destul de mare.

Pentru a aborda această problemă, echipa a decis să arunce o privire mai atentă la Fe–N–C, un candidat promițător într-un clasa de materiale catalizatoare numite carbon dopat cu metal-azot. Fe–N–C este produs prin inserarea atomilor de fier în foi de grafen, straturi unice de atomi de carbon aranjate într-un model de rețea hexagonală. Pentru a îmbunătăți și mai mult performanța, unii dintre atomii de carbon din grafen sunt apoi înlocuiți cu atomi de azot.

Performanța catalizatorului Fe-N-C a fost comparabilă cu catalizatorii PGM care sunt utilizați în prezent, dar durabilitatea sa nu a mers la fel de bine. Echipa trebuia să înțeleagă mecanismul din spatele degradării acestui catalizator pentru a-i îmbunătăți stabilitatea.

Pentru a îmbunătăți stabilitatea, echipa a analizat și ce s-ar întâmpla dacă ar adăuga un polimer numit Nafion la Fe-N- catalizator C. Nafion este un ionomer utilizat în mod obișnuit, un polimer stabil, foarte conductiv, care este rezistent la mediul acid și care se găsește în majoritatea pilelor de combustie.

Privire cu o rezoluție mai mare

Pentru a obține o O imagine exactă a reacțiilor care au loc în catalizatorul Fe-N-C, echipa a folosit câteva tehnici puternice de spectroscopie cu raze X bazate pe sincrotron. Cercetătorii au efectuat studii de absorbție a razelor X aproape de margine (XANES) și studii de structură fină de absorbție de raze X extinse (EXAFS) la linia de fascicul 20-BM la Advanced Photon Source, o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science la Laboratorul Național Argonne al DOE. Echipa a efectuat spectroscopie de emisie de raze X (XES) la linia de lumina ISS la NSLS-II. XES este o tehnică care oferă cercetătorilor informații prețioase cu privire la structura electronică a unui material.

„Cu XES, pot fi dezvăluite mici modificări ale stării chimice a materialului asociate cu activitatea catalitică”, a explicat Eli Stavitski, om de știință principal la linia de lumină la ISS. „Spectroscopia tradițională cu raze X nu este sensibilă la starea de spin, care este un moment magnetic creat de aranjamentul electronilor din moleculă.

„XES, totuși, oferă acest tip de perspectivă. Am stabilit că complexul activ este prezent în configurație de spin mare, ceea ce înseamnă că are mai mult impuls de electroni. În aceste experimente, am testat, de asemenea, starea de oxidare și liganzii din jur ai atomului de fier din catalizatorul Fe-N-C. Am putut vedea schimbările stării de oxidare la conducerea reacției catalitice și determinarea ei precisă. Acest lucru este esențial pentru înțelegerea mecanismelor de reacție.”

Acesta a fost unul dintre primele experimente care au folosit noul spectrometru cu raze X de înaltă rezoluție al liniei de lumină. A fost proiectat și construit la NSLS-II, împreună cu omul de știință al liniei de lumină ISS Denis. Leshchev conduce proiectul.În centrul spectrometrului se află analizoare de cristale—plachete de siliciu ultrapure, subțiri, care sunt tăiate cu precizie, lustruite la perfecțiune și îndoite într-o formă care le permite să condenseze fotonii în puncte mici, strâmte, ca un puternic. Lentila cu raze X. Echipa lui Pushkar a dezvoltat un ansamblu unic de analizoare mari cu cristale de siliciu care, atunci când sunt cuplate cu fascicul intens de raze X al liniei de lumina, mecanica de precizie și detectorul, au făcut acest experiment posibil.

" Când fasciculul de raze X de la NSLS-II interacționează cu proba, eșantionul emite raze X caracteristice, care sunt utilizate în mod tradițional pentru amprenta compoziției elementare a probei”, a explicat Leshchev.

„X- spectroscopia de raze analizează interacțiunile dintre fasciculul de raze X și probă, iar tehnica sondează nu numai prezența elementelor, ci și mediul lor atomic. Noul spectrometru de înaltă rezoluție îmbunătățește și mai mult capacitatea unui experiment de a rezolva detalii fine ale acestor interacțiuni și oferă informații detaliate asupra conexiunilor dintre proprietățile atomice ale materialelor și performanța lor catalitică.

„Această configurație permite o caracterizare mai precisă a materialelor legate de energie, cum ar fi catalizatorii și alte materiale pentru baterii”, a spus Leshchev. „Spectroscopia tradițională de absorbție cu raze X este o tehnică comună la multe sincrotroni. Acum se extinde în spectroscopie de înaltă rezoluție. Suntem încântați să putem oferi această capacitate utilizatorilor noștri acum.”

The Echipa a folosit aceste tehnici pentru a studia comportamentul catalizatorului Fe–N–C în timpul unei reacții de oxidare-reducere cu și fără prezența Nafion. Ei au descoperit că adăugarea de Nafion a provocat schimbări semnificative, în special în ceea ce privește starea de oxidare a atomilor de fier și interacțiunile acestora cu atomii învecinați.

Ei au descoperit că atomii de fier activi catalitic din catalizatorii Fe-N-C tind. a fi într-o stare specifică — ion feric (Fe3+)centri de spin înalți înconjurați de atomi de azot. Când acești catalizatori sunt amestecați cu Nafion, ionomerul eliberează unii dintre atomii de fier care sunt legați prea puternic de foaia de grafit, permițându-le să participe la procesul catalitic. Nafionul este o componentă esențială în celulele de combustie experimentale și industriale, deoarece aduce protoni la locul catalitic pentru formarea apei. Înțelegerea interacțiunii Nafion-catalizator este esențială pentru optimizarea performanței celulei de combustie.

„Suntem încă în curs de a răspunde la întrebarea centrală care ne-a condus la această cercetare”, a spus Pushkar, „dar am descoperit un strat suplimentar de complexitate în acest sistem. Interacțiunea puternică a Nafion – în prezent o componentă indispensabilă – cu centrii de fier din sistem determină o restructurare a mediilor liganzilor de fier.”

Această observație este importantă pentru proiectarea catalizatorilor mai buni, deoarece abordează întrebările despre care forme de fier sunt de fapt cele mai eficiente în catalizarea procesului de reacție de oxidare-reducere. Experimente de genul acesta îi ajută pe cercetătorii pe pile de combustie mai aproape de un catalizator ideal cu performanță și stabilitate ridicate, îmbunătățind în același timp costurile și disponibilitatea pentru a permite acestei alternative de energie curată să aibă un impact semnificativ asupra reducerii emisiilor de carbon.

(Fluierul)