Studimi zbulon një reagim në zemër të shumë teknologjive të energjisë së rinovueshme

Një reaksion kimik kryesor – në të cilin lëvizja e protoneve midis sipërfaqes së një elektrode dhe një elektroliti drejton një rrymë elektrike – është një hap kritik në shumë teknologji energjetike, duke përfshirë qelizat e karburantit dhe elektrolizuesit që përdoren për të prodhuar gaz hidrogjeni.

Për herë të parë, kimistët e MIT kanë përcaktuar në detaje se si ndodhin këto transferime të elektroneve të shoqëruara me proton në një sipërfaqe elektrode. Rezultatet e tyre mund të ndihmojnë studiuesit të dizajnojnë qeliza karburanti, bateri ose teknologji të tjera energjie më efikase.

“Përparimi ynë në këtë punim ishte studimi dhe kuptimi i natyrës se si çiftohen këto elektrone dhe protone në një zonë sipërfaqësore, e cila është e rëndësishme për reaksionet katalitike që janë të rëndësishme në kontekstin e pajisjeve të konvertimit të energjisë ose reaksioneve katalitike,” thotë Yogesh Surendranath, një. profesor i kimisë dhe inxhinierisë kimike në MIT dhe autori i lartë i studimit.

Ndër gjetjet e tyre, studiuesit ishin në gjendje të gjurmonin saktësisht se si ndryshimet në pH të tretësirës së elektrolitit që rrethon një elektrodë ndikojnë në shpejtësinë e lëvizjes së protonit dhe rrjedhën e elektroneve brenda elektrodës.

Studenti i diplomuar në MIT Noah Lewis është autori kryesor i punimit, i cili shfaqet sot në Nature Chemistry . Ryan Bisbey, një ish-postdoc në MIT; Karl Westendorff, një student i diplomuar në MIT; dhe Alexander Soudackov, një shkencëtar kërkimor në Universitetin Yale, janë gjithashtu autorë të punimit.

Transferimi i elektroneve të shoqëruar me proton ndodh kur një molekulë, shpesh uji ose një acid, transferon një proton në një molekulë tjetër ose në një sipërfaqe elektrode, e cila stimulon pranuesin e protonit të marrë gjithashtu një elektron. Ky lloj reagimi është shfrytëzuar për shumë aplikime të energjisë.

“Këto reaksione të transferimit të elektroneve të shoqëruara me proton janë kudo. Ata janë shpesh hapa kyç në mekanizmat katalitikë dhe janë veçanërisht të rëndësishëm për proceset e konvertimit të energjisë si gjenerimi i hidrogjenit ose katalizimi i qelizave të karburantit, “thotë Surendranath.

Në një elektrolizer që gjeneron hidrogjen, kjo qasje përdoret për të hequr protonet nga uji dhe për të shtuar elektrone në protone për të formuar gaz hidrogjeni. Në një qelizë karburanti, energjia elektrike gjenerohet kur protonet dhe elektronet hiqen nga gazi i hidrogjenit dhe shtohen në oksigjen për të formuar ujë.

Transferimi i elektroneve të shoqëruar me proton është i zakonshëm në shumë lloje të tjera të reaksioneve kimike, për shembull, reduktimi i dioksidit të karbonit (shndërrimi i dioksidit të karbonit në lëndë djegëse kimike duke shtuar elektrone dhe protone). Shkencëtarët kanë mësuar shumë se si ndodhin këto reaksione kur pranuesit e protoneve janë molekula, sepse ata mund të kontrollojnë saktësisht strukturën e secilës molekulë dhe të vëzhgojnë se si elektronet dhe protonet kalojnë ndërmjet tyre. Sidoqoftë, kur transferimi i elektroneve të lidhur me proton ndodh në sipërfaqen e një elektrode, procesi është shumë më i vështirë për t’u studiuar sepse sipërfaqet e elektrodës janë zakonisht shumë heterogjene, me shumë vende të ndryshme me të cilat një proton mund të lidhet potencialisht.

Për të kapërcyer atë pengesë, ekipi i MIT zhvilloi një mënyrë për të projektuar sipërfaqet e elektrodës që u jep atyre kontroll shumë më të saktë mbi përbërjen e sipërfaqes së elektrodës. Elektrodat e tyre përbëhen nga fletë grafeni me përbërje organike që përmbajnë unazë të ngjitura në sipërfaqe. Në fund të secilës prej këtyre molekulave organike është një jon oksigjeni i ngarkuar negativisht që mund të pranojë protone nga tretësira përreth, gjë që bën që një elektron të rrjedhë nga qarku në sipërfaqen grafike.

“Ne mund të krijojmë një elektrodë që nuk përbëhet nga një larmi e gjerë vendesh, por është një grup uniform i një lloji të vetëm vendesh shumë të mirëpërcaktuara që mund të lidhin secila një proton me të njëjtin afinitet,” thotë Surendranath. “Meqenëse ne i kemi këto vende shumë të mirëpërcaktuara, ajo që na lejoi të bënim ishte të zbulonim me të vërtetë kinetikën e këtyre proceseve.”

Duke përdorur këtë sistem, studiuesit ishin në gjendje të masin rrjedhën e rrymës elektrike në elektroda, gjë që i lejoi ata të llogarisin shpejtësinë e transferimit të protonit në jonin e oksigjenit në sipërfaqe në ekuilibër – gjendja kur ritmet e dhurimit të protonit në sipërfaqe dhe transferimi i protonit përsëri në tretësirë ​​nga sipërfaqja janë të barabarta. Ata zbuluan se pH e tretësirës përreth ka një efekt të rëndësishëm në këtë shkallë: Normat më të larta ndodhën në skajet ekstreme të shkallës së pH – pH 0, më acidi dhe pH 14, më bazë.

Për të shpjeguar këto rezultate, studiuesit zhvilluan një model të bazuar në dy reaksione të mundshme që mund të ndodhin në elektrodë. Në të parën, jonet e hidroniumit (H 3 O + ), të cilat janë në përqendrim të lartë në tretësirat shumë acide, dërgojnë protone në sipërfaqe jonet e oksigjenit, duke gjeneruar ujë. Në të dytën, uji dërgon protone në sipërfaqe jonet e oksigjenit, duke gjeneruar jone hidroksid (OH – ), të cilët janë në përqendrim të lartë në tretësirat fort bazike.

Sidoqoftë, shpejtësia në pH 0 është rreth katër herë më e shpejtë se shpejtësia në pH 14, pjesërisht sepse hidronium heq protonet me një shpejtësi më të shpejtë se uji.

Studiuesit zbuluan gjithashtu, për habinë e tyre, se të dy reaksionet kanë ritme të barabarta jo në pH neutrale 7, ku përqendrimet e hidroniumit dhe hidroksidit janë të barabarta, por në pH 10, ku përqendrimi i joneve hidroksid është 1 milion herë më i lartë se ai i hidroniumit. Modeli sugjeron se kjo është për shkak se reaksioni përpara që përfshin dhurimin e protonit nga hidroniumi ose uji kontribuon më shumë në shkallën e përgjithshme sesa reagimi i prapambetur që përfshin heqjen e protonit nga uji ose hidroksidi.

Modelet ekzistuese se si këto reaksione ndodhin në sipërfaqet e elektrodave supozojnë se reagimet përpara dhe prapa kontribuojnë në mënyrë të barabartë në shkallën e përgjithshme, kështu që gjetjet e reja sugjerojnë se ato modele mund të kenë nevojë të rishqyrtohen, thonë studiuesit.

“Ky është supozimi i paracaktuar, që reagimet e përparme dhe të kundërta kontribuojnë në mënyrë të barabartë në shkallën e reagimit,” thotë Surendranath. “Zbulimi ynë është me të vërtetë tërheqës sepse do të thotë se supozimi që njerëzit përdorin për të analizuar gjithçka, nga katalizimi i qelizave të karburantit deri te evolucioni i hidrogjenit, mund të jetë diçka që duhet ta rishikojmë.”

Studiuesit tani po përdorin konfigurimin e tyre eksperimental për të studiuar se si shtimi i llojeve të ndryshme të joneve në tretësirën e elektrolitit që rrethon elektrodën mund të përshpejtojë ose ngadalësojë shkallën e rrjedhës së elektroneve të shoqëruara me proton.

“Me sistemin tonë, ne e dimë se faqet tona janë konstante dhe nuk ndikojnë në njëra-tjetrën, kështu që ne mund të lexojmë se çfarë ndryshimi në zgjidhje po i bën reagimit në sipërfaqe,” thotë Lewis.