Новости космоса и технологий. » Нанотехнологии » Новый наноматериал помогает получать водород из жидкого энергоносителя, что является ключевым шагом на пути к стабильному и чистому источнику топлива

Новый наноматериал помогает получать водород из жидкого энергоносителя, что является ключевым шагом на пути к стабильному и чистому источнику топлива

Опубликовал: Admin, 22-12-2020, 10:26, Нанотехнологии, 71, 0

Новый наноматериал помогает получать водород из жидкого энергоносителя, что является ключевым шагом на пути к стабильному и чистому источнику топлива

Водород - это устойчивый источник чистой энергии, который позволяет избежать токсичных выбросов и может повысить ценность многих секторов экономики, включая транспорт, производство электроэнергии, производство металлов и другие. Технологии хранения и транспортировки водорода ликвидируют разрыв между устойчивым производством энергии и использованием топлива и, следовательно, являются важным компонентом жизнеспособной водородной экономики. Но традиционные средства хранения и транспортировки дороги и подвержены загрязнению. В результате исследователи ищут альтернативные методы, которые были бы надежными, недорогими и простыми. Более эффективные системы доставки водорода будут полезны для многих приложений, таких как стационарная энергетика, портативная энергетика и производство мобильных транспортных средств.

Теперь, как сообщается в журнале Труды Национальной академии наук , исследователи разработали и синтезировали эффективный материал для ускорения одного из ограничивающих шагов при извлечении водород из спиртов. Материал: катализатор , состоит из крошечных кластеров никеля металл закреплен на двухмерной подложке. Команда под руководством исследователей из Molecular Foundry Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) обнаружила, что катализатор может чисто и эффективно ускорять реакцию, которая удаляет атомы водорода из жидкого химического носителя. Этот прочный материал изготовлен из металлов, которые встречаются на Земле, а не из драгоценных металлов, и поможет сделать водород жизнеспособным источником энергии для широкого спектра применений.

«Мы представляем здесь не только катализатор с более высокой активностью, чем другие протестированные нами никелевые катализаторы, для важного возобновляемого источника энергии, но также и более широкую стратегию использования доступных металлов в широком диапазоне реакций», - сказал Джефф Урбан, неорганические наноструктуры. Директор завода в Молекулярной литейной, который руководил работами. Исследование проводится в рамках Консорциума перспективных исследований водородных материалов (HyMARC), финансируемого Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, водородом и топливными элементами (EERE) Министерства энергетики США. Благодаря этим усилиям пять национальных лабораторий работают над устранением научных пробелов, препятствующих развитию твердых материалов для хранения водорода.Результаты этой работы будут напрямую использоваться в концепции EERE H2 @ Scale для доступного производства, хранения, распределения и использования водорода в различных секторах экономики.

Химические соединения, которые действуют как катализаторы, подобные тому, который был разработан Урбаном и его командой, обычно используются для увеличения скорости химической реакции без потребления самого соединения - они могут удерживать определенную молекулу в стабильном положении или служить посредником, который позволяет надежно завершить важный шаг. Наиболее эффективные катализаторы химической реакции, в результате которой из жидких носителей образуется водород, - это драгоценные металлы. Однако эти катализаторы связаны с высокой стоимостью и низким распространением, а также подвержены загрязнению. Другие менее дорогие катализаторы, сделанные из более распространенных металлов, как правило, менее эффективны и менее стабильны, что ограничивает их активность и их практическое применение в отраслях производства водорода.

Чтобы улучшить характеристики и стабильность этих богатых землей катализаторов на основе металлов, Урбан и его коллеги изменили стратегию, которая фокусируется на крошечных однородных кластерах металлического никеля. Крошечные кластеры важны, потому что они максимально раскрывают реактивную поверхность в данном количестве материала. Но они также имеют тенденцию слипаться, что снижает их реактивность.

Постдокторантский научный сотрудник Чжуолей Чжан и научный сотрудник проекта Джи Су, как из Molecular Foundry, так и со-ведущие авторы статьи, разработали и провели эксперимент, который боролся со слипанием путем осаждения кластеров никеля диаметром 15 нанометра на двумерную подложку, сделанную из бор и азот созданы для размещения сетки ямок атомного масштаба. Кластеры никеля стали равномерно распределенными и надежно закрепились в ямках. Эта конструкция не только предотвращает комкование, но и ее термические и химические свойства значительно улучшают общие характеристики катализатора за счет прямого взаимодействия с кластерами никеля.

«Было обнаружено, что роль подстилающей поверхности на стадии формирования и осаждения кластеров является критической и может дать ключ к пониманию их роли в других процессах», - сказал Урбан.

Детальные рентгеновские и спектроскопические измерения в сочетании с теоретическими расчетами многое узнали о подстилающих поверхностях и их роли в катализе. Используя инструменты Advanced Light Source, пользовательского объекта DOE в лаборатории Berkeley Lab и методы компьютерного моделирования, исследователи определили изменения в физических и химических свойствах двухмерных листов, в то время как крошечные кластеры никеля формировались и осаждались на них. Команда предположила, что материал формируется, в то время как металлические кластеры занимают нетронутые области листов и взаимодействуют с близлежащими краями, таким образом сохраняя крошечный размер кластеров. Крошечные стабильные кластеры облегчили действие в процессах, посредством которых водород отделяется от его жидкого носителя, наделяя катализатор превосходной селективностью, производительностью и стабильными характеристиками.

Расчеты показали, что размер катализатора был причиной того, что его активность была одной из лучших по сравнению с другими, о которых недавно сообщалось. Дэвид Прендергаст, директор Центра теории наноструктурных материалов в Molecular Foundry, вместе спостдокторантский научный сотрудник и со-ведущий автор Ана Санц-Матиас использовала модели и вычислительные методы, чтобы раскрыть уникальную геометрическую и электронную структуру крошечных металлических кластеров. Атомы чистого металла, присутствующие в изобилии на этих крошечных кластерах, легче притягивали жидкий носитель, чем более крупные металлические частицы. Эти открытые атомы также облегчают этапы химической реакции, которая удаляет водород из носителя, предотвращая при этом образование загрязнений, которые могут забить поверхность кластера. Следовательно, материал оставался свободным от загрязнений на ключевых этапах реакции получения водорода. Эти каталитические свойства и свойства защиты от загрязнений возникли из-за недостатков, которые были намеренно внесены в двухмерные листы, и в конечном итоге помогли сохранить кластер маленький размер.

«Загрязнение может сделать возможные катализаторы из неблагородных металлов нежизнеспособными. Наша платформа здесь открывает новые двери для разработки этих систем», - сказал Урбан.

В своем катализаторе исследователи достигли цели создания относительно недорогого, легкодоступного и стабильного материала, который помогает удалять водород из жидких носителей для использования в качестве топлива. Эта работа стала результатом усилий Министерства энергетики США по разработке материалов для хранения водорода для достижения целей Управления по технологиям водорода и топливных элементов EERE и по оптимизации материалов для будущего использования в транспортных средствах.

Дальнейшая работа команды Berkeley Lab будет способствовать дальнейшему совершенствованию стратегии модификации двумерных подложек таким образом, чтобы поддерживать крошечные металлические кластеры, чтобы разработать еще более эффективные катализаторы. Этот метод может помочь оптимизировать процесс извлечения водорода из жидких химических носителей.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии