Katalizator krejtësisht i ri, i lirë, përshpejton prodhimin e oksigjenit nga uji

Një reaksion elektrokimik që ndan molekulat e ujit për të prodhuar oksigjen është në qendër të qasjeve të shumta që synojnë të prodhojnë lëndë djegëse alternative për transport. Por ky reaksion duhet të zhvillohet nga një material katalizator, dhe versionet e sotme kërkojnë përdorimin e elementëve të rrallë dhe të shtrenjtë si iridiumi, duke kufizuar potencialin e prodhimit të tillë të karburantit.

Tani, studiuesit në MIT dhe gjetkë kanë zhvilluar një lloj krejtësisht të ri të materialit katalizator, të quajtur një kornizë metalike hidroksid-organike (MHOF), e cila përbëhet nga përbërës të lirë dhe të bollshëm. Familja e materialeve i lejon inxhinierët të rregullojnë me saktësi strukturën dhe përbërjen e katalizatorit me nevojat e një procesi kimik të caktuar, dhe më pas ai mund të përputhet ose tejkalojë performancën e katalizatorëve konvencionalë, më të shtrenjtë.

Gjetjet përshkruhen më 24 shkurt 2022, në revistën Nature Materials, në një punim nga postdokuenti i MIT Shuai Yuan, studenti i diplomuar Jiayu Peng, profesori Yang Shao-Horn, profesori Yuriy Román-Leshkov dhe nëntë të tjerë.

Reaksionet e evolucionit të oksigjenit janë një nga reagimet e zakonshme për prodhimin elektrokimik të lëndëve djegëse, kimikateve dhe materialeve. Këto procese përfshijnë gjenerimin e hidrogjenit si një nënprodukt i evolucionit të oksigjenit, i cili mund të përdoret drejtpërdrejt si lëndë djegëse ose t’i nënshtrohet reaksioneve kimike për të prodhuar lëndë djegëse të tjera transporti; prodhimi i amoniakut, për përdorim si pleh ose lëndë ushqyese kimike; dhe reduktimin e dioksidit të karbonit për të kontrolluar emetimet.

Por pa ndihmë, “këto reagime janë të ngadalta”, thotë Shao-Horn. “Për një reagim me kinetikë të ngadaltë, ju duhet të sakrifikoni tensionin ose energjinë për të nxitur shpejtësinë e reagimit.” Për shkak të inputit shtesë të energjisë që kërkohet, “efikasiteti i përgjithshëm është i ulët. Pra, kjo është arsyeja pse njerëzit përdorin katalizatorë, “thotë ajo, pasi këto materiale nxisin natyrshëm reagimet duke ulur inputin e energjisë.

Por deri më tani, këta katalizatorë “po mbështeten të gjithë në materiale të shtrenjta ose metale të vonshme në tranzicion që janë shumë të pakta, për shembull oksidi i iridiumit, dhe ka pasur një përpjekje të madhe në komunitet për të gjetur alternativa të bazuara në materiale të bollshme në Tokë që kanë të njëjtat performanca në aspektin e aktivitetit dhe stabilitetit”, thotë Román-Leshkov. Ekipi thotë se ata kanë gjetur materiale që ofrojnë pikërisht atë kombinim karakteristikash.

Ekipet e tjera kanë eksploruar përdorimin e hidroksideve metalike, të tilla si hidroksidet e nikelit-hekurit, thotë Román-Leshkov. Por materiale të tilla kanë qenë të vështira për t’u përshtatur me kërkesat e aplikacioneve specifike. Tani, megjithatë, “arsyeja pse puna jonë është mjaft emocionuese dhe mjaft e rëndësishme është se ne kemi gjetur një mënyrë për të përshtatur vetitë duke nanostrukturuar këto hidrokside metalike në një mënyrë unike”.

Ekipi huazoi nga kërkimet që janë bërë në një klasë të lidhur të komponimeve të njohura si korniza metal-organike (MOF), të cilat janë një lloj strukture kristalore e bërë nga nyje oksidi metalik të lidhura së bashku me molekulat lidhëse organike. Duke zëvendësuar oksidin e metalit në materiale të tilla me hidrokside të caktuara metalike, ekipi zbuloi, u bë e mundur krijimi i materialeve saktësisht të sintonizueshme që kishin gjithashtu stabilitetin e nevojshëm për të qenë potencialisht të dobishëm si katalizatorë.

“Ju vendosni këto zinxhirë të këtyre lidhësve organikë pranë njëri-tjetrit dhe ato drejtojnë në fakt formimin e fletëve të hidroksidit metalik që janë të ndërlidhura me këta lidhës organikë, të cilët më pas grumbullohen dhe kanë një stabilitet më të lartë,” thotë Román-Leshkov. Kjo ka përfitime të shumëfishta, thotë ai, duke lejuar një kontroll të saktë mbi modelin e nanostrukturuar, duke lejuar kontroll të saktë të vetive elektronike të metalit, dhe gjithashtu duke siguruar stabilitet më të madh, duke i mundësuar ata të qëndrojnë ndaj periudhave të gjata të përdorimit.

Në testimin e materialeve të tilla, studiuesit zbuluan se performanca e katalizatorëve ishte “befasuese”, thotë Shao-Horn. “Është e krahasueshme me atë të materialeve okside më të fundit që katalizojnë reaksionin e evolucionit të oksigjenit.”

Duke qenë të përbërë kryesisht nga nikeli dhe hekuri, këto materiale duhet të jenë të paktën 100 herë më të lira se katalizatorët ekzistues, thonë ata, megjithëse ekipi nuk ka bërë ende një analizë të plotë ekonomike.

Kjo familje materialesh “ofron me të vërtetë një hapësirë ​​të re për të rregulluar vendet aktive për katalizimin e ndarjes së ujit për të prodhuar hidrogjen me hyrje të reduktuar të energjisë”, thotë Shao-Horn, për të përmbushur nevojat e sakta të çdo procesi kimik të caktuar ku nevojiten katalizatorë të tillë.

Materialet mund të ofrojnë “përshtatshmëri pesë herë më të madhe” sesa katalizatorët ekzistues me bazë nikelin, thotë Peng, thjesht duke zëvendësuar metale të ndryshme në vend të nikelit në përbërje. “Kjo potencialisht do të ofronte shumë rrugë relevante për zbulimet e ardhshme.” Materialet mund të prodhohen gjithashtu në fletë jashtëzakonisht të holla, të cilat më pas mund të lyhen me një material tjetër, duke ulur më tej kostot materiale të sistemeve të tilla.

Deri më tani, materialet janë testuar në pajisje testimi laboratorike në shkallë të vogël dhe ekipi tani po trajton çështjet e përpjekjes për të rritur procesin në shkallë të rëndësishme komerciale, gjë që mund të zgjasë ende disa vjet. Por ideja ka potencial të madh, thotë Shao-Horn, për të ndihmuar në katalizimin e prodhimit të karburantit të pastër dhe pa emetim të hidrogjenit, në mënyrë që “ne të mund të ulim koston e hidrogjenit nga ky proces duke mos u kufizuar nga disponueshmëria e metaleve të çmuara. . Kjo është e rëndësishme, sepse ne kemi nevojë për teknologji të prodhimit të hidrogjenit që mund të shkallëzohen.”