Κάθε κέρδος απόδοσης που ανακαλύπτεται στο εργαστήριο τροφοδοτεί το τελικό κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας. Η Anne Trafton στο MIT περιγράφει νέα έρευνα που εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια συνδέονται σε μια επιφάνεια ηλεκτροδίου , η οποία οδηγεί το ηλεκτρικό ρεύμα. Είναι ένα κρίσιμο βήμα σε πολλές ενεργειακές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου, των ηλεκτρόλυσης υδρογόνου, των μπαταριών και της μετατροπής CO2 σε χημικά καύσιμα . Το πρώτο βήμα ήταν η ανάπτυξη ενός τρόπου σχεδιασμού επιφανειών ηλεκτροδίων που να δίνει πολύ πιο ακριβή έλεγχο στη σύνθεσή τους . Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να δουν ότι το pH του διαλύματος ηλεκτρολύτη έχει σημαντική επίδραση στον ρυθμό μεταφοράς πρωτονίων : οι υψηλότεροι ρυθμοί εμφανίστηκαν στα ακραία άκρα της κλίμακας pH — pH 0, το πιο όξινο, και pH 14, το πιο αλκαλικό . Τα πειράματα έδωσαν επίσης πληροφορίες για το τι ακριβώς επηρεάζει αυτόν τον ρυθμό αντίδρασης . Χρησιμοποιώντας τη νέα διάταξη, μελλοντική έρευνα θα εξετάσει πώς η προσθήκη διαφορετικών τύπων ιόντων στο διάλυμα ηλεκτρολύτη που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο μπορεί να επιταχύνει ή να επιβραδύνει τον ρυθμό της συζευγμένης με πρωτόνια ροή ηλεκτρονίων. Μελέτη αποκαλύπτει μια αντίδραση στην καρδιά πολλών τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας . Νέες γνώσεις σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι μεταφορές ηλεκτρονίων συζευγμένων με πρωτόνια συμβαίνουν σε ένα ηλεκτρόδιο θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν πιο αποδοτικές κυψέλες καυσίμου και συσκευές ηλεκτρόλυσης. Από την Anne Trafton, MIT News .

Πώς συνδέονται τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια σε μια επιφάνεια ηλεκτροδίου

Μια βασική χημική αντίδραση – στην οποία η κίνηση των πρωτονίων μεταξύ της επιφάνειας ενός ηλεκτροδίου και ενός ηλεκτρολύτη οδηγεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα – είναι ένα κρίσιμο βήμα σε πολλές ενεργειακές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου και των ηλεκτρολυτών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αερίου υδρογόνου .

Για πρώτη φορά, οι χημικοί του MIT έχουν χαρτογραφήσει λεπτομερώς πώς συμβαίνουν αυτές οι συζευγμένες με πρωτόνια μεταφορές ηλεκτρονίων σε μια επιφάνεια ηλεκτροδίου. Τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν πιο αποδοτικές κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες ή άλλες ενεργειακές τεχνολογίες .

«Η πρόοδός μας σε αυτό το έγγραφο ήταν να μελετήσουμε και να κατανοήσουμε τη φύση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια συζευγνύονται σε μια επιφανειακή θέση, κάτι που είναι σχετικό για καταλυτικές αντιδράσεις που είναι σημαντικές στο πλαίσιο των συσκευών μετατροπής ενέργειας ή των καταλυτικών αντιδράσεων», λέει ο Yogesh Surendranath. καθηγητής χημείας και χημικής μηχανικής στο MIT και ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

Μεταξύ των ευρημάτων τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να εντοπίσουν ακριβώς πώς οι αλλαγές στο pH του διαλύματος ηλεκτρολύτη που περιβάλλει ένα ηλεκτρόδιο επηρεάζουν τον ρυθμό της κίνησης του πρωτονίου και τη ροή ηλεκτρονίων μέσα στο ηλεκτρόδιο.

Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT Noah Lewis είναι ο κύριος συγγραφέας τηςεργασίας , η οποία εμφανίστηκε τον περασμένο μήνα στο Nature Chemistry . Ryan Bisbey, πρώην μεταδιδάκτορας του MIT. Karl Westendorff, μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT. και ο Alexander Soudackov, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Yale, είναι επίσης συγγραφείς της εργασίας.

Για πρώτη φορά, οι χημικοί του MIT έχουν χαρτογραφήσει λεπτομερώς πώς συμβαίνουν οι συζευγμένες με πρωτόνιο μεταφορές ηλεκτρονίων στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου. Τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν πιο αποδοτικές κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες ή άλλες ενεργειακές τεχνολογίες. / ΕΙΚΟΝΑ: MIT News, iStock

Μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο

Η μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο συμβαίνει όταν ένα μόριο, συχνά νερό ή οξύ, μεταφέρει ένα πρωτόνιο σε ένα άλλο μόριο ή σε μια επιφάνεια ηλεκτροδίου, το οποίο διεγείρει τον δέκτη πρωτονίων να προσλάβει επίσης ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό το είδος αντίδρασης έχει αξιοποιηθεί για πολλές ενεργειακές εφαρμογές.

«Αυτές οι συζευγμένες με πρωτόνια αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι πανταχού παρούσες. Είναι συχνά βασικά βήματα στους καταλυτικούς μηχανισμούς και είναι ιδιαίτερα σημαντικά για διαδικασίες μετατροπής ενέργειας όπως η παραγωγή υδρογόνου ή η κατάλυση κυψελών καυσίμου», λέει ο Surendranath.

Σε έναν ηλεκτρολύτη που παράγει υδρογόνο , αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται για την αφαίρεση πρωτονίων από το νερό και την προσθήκη ηλεκτρονίων στα πρωτόνια για να σχηματιστεί αέριο υδρογόνο. Σε μια κυψέλη καυσίμου , η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται όταν τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια αφαιρούνται από το αέριο υδρογόνο και προστίθενται στο οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό.

Η μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο είναι κοινή σε πολλούς άλλους τύπους χημικών αντιδράσεων, για παράδειγμα, τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα ( η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε χημικά καύσιμα με την προσθήκη ηλεκτρονίων και πρωτονίων).

Η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού δυναμικού προκαλεί τη μεταφορά ενός πρωτονίου από ένα ιόν υδρονίου (στα δεξιά) στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια με μοριακά καθορισμένες θέσεις δέσμευσης πρωτονίων, οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν ένα γενικό μοντέλο για αυτές τις διεπιφανειακές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων συζευγμένων με πρωτόνια. / ΕΙΚΟΝΑ: Ευγενική προσφορά των ερευνητών

Ανάλυση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου

Οι επιστήμονες έχουν μάθει πολλά για το πώς συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις όταν οι δέκτες πρωτονίων είναι μόρια, επειδή μπορούν να ελέγξουν με ακρίβεια τη δομή κάθε μορίου και να παρατηρήσουν πώς περνούν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια μεταξύ τους. Ωστόσο, όταν λαμβάνει χώρα μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου, η διαδικασία είναι πολύ πιο δύσκολο να μελετηθεί επειδή οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων είναι συνήθως πολύ ετερογενείς, με πολλές διαφορετικές θέσεις στις οποίες ένα πρωτόνιο θα μπορούσε ενδεχομένως να συνδεθεί .

Για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο, η ομάδα του MIT ανέπτυξε έναν τρόπο να σχεδιάσει επιφάνειες ηλεκτροδίων που τους δίνει πολύ πιο ακριβή έλεγχο στη σύνθεση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου . Τα ηλεκτρόδιά τους αποτελούνται από φύλλα γραφενίου με οργανικές ενώσεις που περιέχουν δακτύλιο προσαρτημένες στην επιφάνεια . Στο τέλος καθενός από αυτά τα οργανικά μόρια βρίσκεται ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν οξυγόνου που μπορεί να δεχτεί πρωτόνια από το περιβάλλον διάλυμα, το οποίο αναγκάζει ένα ηλεκτρόνιο να ρέει από το κύκλωμα στη γραφιτική επιφάνεια.

«Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα ηλεκτρόδιο που δεν αποτελείται από μια ευρεία ποικιλία θέσεων, αλλά είναι μια ομοιόμορφη συστοιχία ενός μόνο τύπου πολύ καλά καθορισμένων θέσεων που μπορεί καθεμία να δεσμεύσει ένα πρωτόνιο με την ίδια συγγένεια», λέει ο Surendranath. « Δεδομένου ότι έχουμε αυτές τις πολύ καλά καθορισμένες τοποθεσίες, αυτό που μας επέτρεψε να κάνουμε ήταν να ξεδιαλύνουμε πραγματικά την κινητική αυτών των διεργασιών ».

Το pH έχει σημασία

Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος στα ηλεκτρόδια, το οποίο τους επέτρεψε να υπολογίσουν τον ρυθμό μεταφοράς πρωτονίων στο ιόν οξυγόνου στην επιφάνεια σε ισορροπία – την κατάσταση κατά την οποία οι ρυθμοί δωρεάς πρωτονίων στην επιφάνεια και η μεταφορά πρωτονίων πίσω στο διάλυμα από την επιφάνεια είναι ίσες. Βρήκαν ότι το pH του περιβάλλοντος διαλύματος έχει σημαντική επίδραση σε αυτόν τον ρυθμό: οι υψηλότεροι ρυθμοί εμφανίστηκαν στα ακραία άκρα της κλίμακας pH — pH 0, το πιο όξινο, και pH 14, το πιο βασικό .

Για να εξηγήσουν αυτά τα αποτελέσματα, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μοντέλο που βασίζεται σε δύο πιθανές αντιδράσεις που μπορούν να συμβούν στο ηλεκτρόδιο . Στην πρώτη, τα ιόντα υδρονίου (H ₃ O ⁺ ), τα οποία βρίσκονται σε υψηλή συγκέντρωση σε έντονα όξινα διαλύματα, μεταφέρουν πρωτόνια στην επιφάνεια ιόντα οξυγόνου, παράγοντας νερό. Στη δεύτερη, το νερό μεταφέρει πρωτόνια στην επιφάνεια ιόντα οξυγόνου, δημιουργώντας ιόντα υδροξειδίου (OH ^– ), τα οποία βρίσκονται σε υψηλή συγκέντρωση σε ισχυρά βασικά διαλύματα.

Ωστόσο, ο ρυθμός σε pH 0 είναι περίπου τέσσερις φορές ταχύτερος από τον ρυθμό στο pH 14 , εν μέρει επειδή το υδρόνιο απελευθερώνει πρωτόνια με ταχύτερο ρυθμό από το νερό.

Ανατρέποντας μια υπόθεση για τις κυψέλες καυσίμου και το υδρογόνο

Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης, προς έκπληξή τους, ότι οι δύο αντιδράσεις έχουν ίσους ρυθμούς όχι σε ουδέτερο pH 7, όπου οι συγκεντρώσεις υδρονίου και υδροξειδίου είναι ίσες, αλλά σε pH 10 , όπου η συγκέντρωση ιόντων υδροξειδίου είναι 1 εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από εκείνη του υδρονίου. Το μοντέλο προτείνει ότι αυτό συμβαίνει επειδή η προς τα εμπρός αντίδραση που περιλαμβάνει δωρεά πρωτονίου από υδρόνιο ή νερό συμβάλλει περισσότερο στον συνολικό ρυθμό από την αντίστροφη αντίδραση που περιλαμβάνει την αφαίρεση πρωτονίων με νερό ή υδροξείδιο.

Τα υπάρχοντα μοντέλα για το πώς συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων υποθέτουν ότι οι αντιδράσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω συμβάλλουν εξίσου στο συνολικό ρυθμό, επομένως τα νέα ευρήματα υποδηλώνουν ότι αυτά τα μοντέλα μπορεί να χρειαστεί να επανεξεταστούν , λένε οι ερευνητές.

«Αυτή είναι η προεπιλεγμένη υπόθεση, ότι η μπροστινή και η αντίστροφη αντίδραση συμβάλλουν εξίσου στον ρυθμό αντίδρασης», λέει ο Surendranath. "Το εύρημα μας είναι πραγματικά εντυπωσιακό γιατί σημαίνει ότι η υπόθεση ότι οι άνθρωποι χρησιμοποιούν για να αναλύσουν τα πάντα, από την κατάλυση κυψελών καυσίμου έως την εξέλιξη του υδρογόνου, μπορεί να είναι κάτι που πρέπει να επανεξετάσουμε ."

Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα την πειραματική τους εγκατάσταση για να μελετήσουν πώς η προσθήκη διαφορετικών τύπων ιόντων στο διάλυμα ηλεκτρολύτη που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο μπορεί να επιταχύνει ή να επιβραδύνει τον ρυθμό της συζευγμένης με πρωτόνια ροή ηλεκτρονίων .

«Με το σύστημά μας, γνωρίζουμε ότι οι τοποθεσίες μας είναι σταθερές και δεν επηρεάζουν ο ένας τον άλλον, επομένως μπορούμε να διαβάσουμε τι κάνει η αλλαγή στη λύση στην αντίδραση στην επιφάνεια», λέει ο Lewis.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Βασικών Ενεργειακών Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

***

Η Anne Trafton είναι ανώτερη συγγραφέας στο MIT News

Ανατύπωση με άδεια του MIT News