Οι κυψέλες καυσίμου και ηλεκτρόλυσης περιλαμβάνουν ηλεκτροχημικές αντιδράσεις (η μία είναι το αντίστροφο της άλλης) και η απόδοσή τους εξαρτάται από τους καταλύτες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρόδια. Οι συμβατικοί μεταλλικοί καταλύτες τραχύνονται σε υψηλές θερμοκρασίες, μειώνοντας τη δραστηριότητα και την αντοχή. Η Elizabeth Thomson στο MIT περιγράφει νέα έρευνα εκεί που χρησιμοποιεί ακτινοβολία ιόντων για την καθίζηση μεταλλικών νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου . Η διαδικασία επιτρέπει τον στενό έλεγχο του μεγέθους, της σύνθεσης, της πυκνότητας και της θέσης των διαλυμένων νανοσωματιδίων. Τα νανοσωματίδια είναι πολύ πιο σταθερά και βελτιώνουν σημαντικά την καταλυτική τους δράση . Θα ακολουθήσουν περισσότερες βελτιώσεις, εξηγεί ο Thomson. Η διαδικασία ανοίγει την πόρτα σε νανοσωματίδια ή κράματα πολλαπλών στοιχείων, επειδή συνήθως έχουν ακόμη υψηλότερη καταλυτική δραστηριότητα . Είναι μια άλλη καινοτομία που βοηθά στην προώθηση κυψελών καυσίμου που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς CO2 και ηλεκτρόλυση για την παραγωγή καθαρού υδρογόνου . Ομάδα μηχανικών νανοσωματιδίων που χρησιμοποιούν ακτινοβολία ιόντων για να προωθήσουν την καθαρή ενέργεια και τη μετατροπή καυσίμων . Η εργασία καταδεικνύει τον έλεγχο των βασικών ιδιοτήτων που οδηγεί σε καλύτερη απόδοση. Από την Elizabeth Thomson, MIT News .

Ερευνητές και συνάδελφοι του MIT έχουν δείξει έναν τρόπο για τον ακριβή έλεγχο του μεγέθους, της σύνθεσης και άλλων ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων που είναι βασικές για τις αντιδράσεις που εμπλέκονται σε μια ποικιλία τεχνολογιών καθαρής ενέργειας και περιβάλλοντος. Το έκαναν με τη μόχλευση της ακτινοβολίας ιόντων, μια τεχνική στην οποία δέσμες φορτισμένων σωματιδίων βομβαρδίζουν ένα υλικό .

Στη συνέχεια έδειξαν ότι τα νανοσωματίδια που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο έχουν ανώτερη απόδοση σε σχέση με τα συμβατικά αντίστοιχά τους.

«Τα υλικά στα οποία έχουμε δουλέψει θα μπορούσαν να προωθήσουν πολλές τεχνολογίες, από κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς CO ₂ έως την παραγωγή καθαρών πρώτων υλών υδρογόνου για τη χημική βιομηχανία [μέσω κυψελών ηλεκτρόλυσης]», λέει ο Bilge Yildiz, επικεφαλής της εργασίας και καθηγητής στα τμήματα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής του MIT και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών.

Οι καταλύτες είναι κρίσιμοι

Οι κυψέλες καυσίμου και ηλεκτρόλυσης περιλαμβάνουν ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μέσω τριών κύριων τμημάτων: δύο ηλεκτροδίων (κάθοδος και άνοδος) που χωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Η διαφορά μεταξύ των δύο κυττάρων είναι ότι οι αντιδράσεις που εμπλέκονται εκτελούνται αντίστροφα .

Τα ηλεκτρόδια είναι επικαλυμμένα με καταλύτες ή υλικά που κάνουν τις αντιδράσεις που εμπλέκονται να πηγαίνουν πιο γρήγορα. Αλλά ένας κρίσιμος καταλύτης από υλικά οξειδίου μετάλλου έχει περιοριστεί από προκλήσεις, όπως η χαμηλή αντοχή. « Τα σωματίδια του μεταλλικού καταλύτη τραχύνονται σε υψηλές θερμοκρασίες και χάνετε την επιφάνεια και τη δραστηριότητα ως αποτέλεσμα », λέει ο Yildiz, ο οποίος είναι επίσης συνδεδεμένος με το Materials Research Laboratory και είναι συγγραφέας μιας εργασίας ανοιχτής πρόσβασης για την εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Energy & Environmental Science .

Εξαίρεση μετάλλων

Εισαγάγετε την εξαίρεση μετάλλου, η οποία περιλαμβάνει την καθίζηση μεταλλικών νανοσωματιδίων από ένα οξείδιο ξενιστή στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου . Τα σωματίδια ενσωματώνονται στο ηλεκτρόδιο, «και αυτή η αγκύρωση τα κάνει πιο σταθερά», λέει ο Yildiz. Ως αποτέλεσμα, η εξαίρεση «οδήγησε σε αξιοσημείωτη πρόοδο στη μετατροπή καθαρής ενέργειας και στις ενεργειακά αποδοτικές υπολογιστικές συσκευές », γράφουν οι ερευνητές στην εργασία τους.

Ακτινοβολία ιόντων

Ωστόσο, ο έλεγχος των ακριβών ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων που προέκυψαν ήταν δύσκολος. «Γνωρίζουμε ότι η εξαίρεση μπορεί να μας δώσει σταθερά και ενεργά νανοσωματίδια, αλλά το δύσκολο κομμάτι είναι πραγματικά να το ελέγξουμε . Η καινοτομία αυτής της εργασίας είναι ότι βρήκαμε ένα εργαλείο – την ακτινοβολία ιόντων – που μπορεί να μας δώσει αυτόν τον έλεγχο», λέει ο Jiayue Wang PhD '22, πρώτος συγγραφέας της εργασίας. Ο Wang, ο οποίος διεξήγαγε την εργασία ενώ έλαβε το διδακτορικό του στο Τμήμα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής του MIT, είναι τώρα μεταδιδάκτορας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Η Sossina Haile '86, PhD '92, ο Walter P. Murphy, καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Northwestern University, που δεν συμμετείχε στην τρέχουσα εργασία, λέει:

«Τα μεταλλικά νανοσωματίδια χρησιμεύουν ως καταλύτες σε μια ολόκληρη σειρά αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένης της σημαντικής αντίδρασης της διάσπασης του νερού για την παραγωγή υδρογόνου για αποθήκευση ενέργειας. Σε αυτό το έργο, ο Yildiz και οι συνεργάτες του έχουν δημιουργήσει μια έξυπνη μέθοδο για τον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται τα νανοσωματίδια».

Ο Haile συνεχίζει, «η κοινότητα έχει δείξει ότι η απομάκρυνση έχει ως αποτέλεσμα δομικά σταθερά νανοσωματίδια, αλλά η διαδικασία δεν είναι εύκολο να ελεγχθεί, επομένως κανείς δεν παίρνει απαραίτητα τον βέλτιστο αριθμό και μέγεθος σωματιδίων. Χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία ιόντων, αυτή η ομάδα μπόρεσε να ελέγξει με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων, με αποτέλεσμα την εξαιρετική καταλυτική δραστηριότητα για τη διάσπαση του νερού .»

Καλλιτεχνική αναπαράσταση νανοσωματιδίων με διαφορετικές συνθέσεις που δημιουργήθηκαν με συνδυασμό δύο τεχνικών: απομάκρυνση μετάλλου και ακτινοβολία ιόντων. Τα διαφορετικά χρώματα αντιπροσωπεύουν διαφορετικά στοιχεία, όπως το νικέλιο, που μπορούν να εμφυτευθούν σε ένα διαλυμένο μεταλλικό σωματίδιο για να προσαρμόσουν τις συνθέσεις και την αντιδραστικότητα του σωματιδίου. / ΕΙΚΟΝΑ: Jiayue Wang

Τι έκαναν

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η στόχευση μιας δέσμης ιόντων στο ηλεκτρόδιο ενώ ταυτόχρονα η διάλυση μεταλλικών νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου τους επέτρεψε να ελέγξουν αρκετές ιδιότητες των προκύπτοντων νανοσωματιδίων.

«Μέσα από αλληλεπιδράσεις ιόντων-ύλης, κατασκευάσαμε επιτυχώς το μέγεθος, τη σύνθεση, την πυκνότητα και τη θέση των διαλυμένων νανοσωματιδίων », γράφει η ομάδα στο Energy & Environmental Science .

Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να κάνουν τα σωματίδια πολύ μικρότερα – έως και 2 δισεκατομμυριοστά του μέτρου σε διάμετρο – από αυτά που κατασκευάζονται μόνο με συμβατικές μεθόδους θερμικής απομάκρυνσης . Επιπλέον, μπόρεσαν να αλλάξουν τη σύνθεση των νανοσωματιδίων ακτινοβολώντας με συγκεκριμένα στοιχεία . Το απέδειξαν αυτό με μια δέσμη ιόντων νικελίου που εμφύτευσαν νικέλιο στο διαλυμένο μεταλλικό νανοσωματίδιο. Ως αποτέλεσμα, επέδειξαν έναν άμεσο και βολικό τρόπο για τη μηχανική της σύνθεσης των διαλυμένων νανοσωματιδίων.

«Θέλουμε να έχουμε νανοσωματίδια ή κράματα πολλαπλών στοιχείων, επειδή συνήθως έχουν υψηλότερη καταλυτική δραστηριότητα », λέει ο Yildiz. «Με την προσέγγισή μας, ο στόχος εξόρυξης δεν χρειάζεται να εξαρτάται από το ίδιο το οξείδιο του υποστρώματος». Η ακτινοβολία ανοίγει την πόρτα σε πολλές ακόμη συνθέσεις. « Μπορούμε να επιλέξουμε σχεδόν οποιοδήποτε οξείδιο και οποιοδήποτε ιόν με το οποίο μπορούμε να ακτινοβολήσουμε και να το διαλύσουμε », λέει ο Yildiz.

Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι η ακτινοβολία ιόντων σχηματίζει ελαττώματα στο ίδιο το ηλεκτρόδιο. Και αυτά τα ελαττώματα παρέχουν πρόσθετες θέσεις πυρήνων, ή θέσεις για την ανάπτυξη των διαλυμένων νανοσωματιδίων, αυξάνοντας την πυκνότητα των νανοσωματιδίων που προκύπτουν.

Η ακτινοβολία θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει τον ακραίο χωρικό έλεγχο των νανοσωματιδίων. « Επειδή μπορείτε να εστιάσετε τη δέσμη ιόντων, μπορείτε να φανταστείτε ότι θα μπορούσατε να «γράψετε» με αυτήν για να σχηματίσετε συγκεκριμένες νανοδομές », λέει ο Wang. «Κάναμε μια προκαταρκτική επίδειξη [αυτό], αλλά πιστεύουμε ότι έχει τη δυνατότητα να υλοποιήσει καλά ελεγχόμενες μικρο- και νανοδομές».

Η ομάδα έδειξε επίσης ότι τα νανοσωματίδια που δημιούργησαν με ακτινοβολία ιόντων είχαν ανώτερη καταλυτική δραστηριότητα σε σχέση με αυτά που δημιουργούνται μόνο με συμβατική θερμική απομάκρυνση.

Πρόσθετοι συγγραφείς της εργασίας του MIT είναι ο Kevin B. Woller, ένας κύριος ερευνητής στο Κέντρο Επιστήμης και Σύντηξης Πλάσματος (PSFC), όπου βρίσκεται ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για την ακτινοβόληση ιόντων. Ο Abinash Kumar PhD '22, ο οποίος έλαβε το διδακτορικό του από το Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών (DMSE) και τώρα βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge. και James M. LeBeau, αναπληρωτής καθηγητής στο DMSE. Άλλοι συγγραφείς είναι οι Zhan Zhang και Hua Zhou του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne και οι Iradwikanari Waluyo και Adrian Hunt του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven.

Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από την OxEon Corp. και το PSFC του MIT. Η έρευνα χρησιμοποίησε επίσης πόρους που υποστηρίζονται από το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το Εργαστήριο Έρευνας Υλικών του MIT και το MIT.nano. Η εργασία πραγματοποιήθηκε, εν μέρει, στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ μέσω ενός δικτύου που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.

***

Η Elizabeth Thomson είναι Επιστημονική Συγγραφέας στο Εργαστήριο Έρευνας Υλικών του MIT, MIT

Ανατύπωση με άδεια του MIT News