Ηλεκτροκαταλύτες
Συνολική αντίδραση:2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Μια ηλεκτροχημική αντίδραση είναι όταν συμβαίνει μια χημική αντίδραση, αλλά είτε παράγει ηλεκτρική ενέργεια είτε απαιτεί ηλεκτρική ικανότητα λειτουργία. Για παράδειγμα, θεωρήστε αέριο υδρογόνο και αέριο οξυγόνο που αντλούνται σε ένα μπαλόνι. Τίποτα δεν θα συμβεί καθώς έχει απλώς έναν συνδυασμό αερίων.
Ωστόσο, εάν κάποιος μπορούσε να κάνει τους δύο να αντιδράσουν μεταξύ τους με ρυθμισμένο τρόπο, θα δημιουργούσε νερό. Εδώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας ηλεκτροκαταλύτης. Πριν μάθουμε τι είναι ένας ηλεκτροκαταλύτης, θα πρέπει να καταλάβουμε τι είναι ένας καταλύτης και να μάθουμε πώς διαφέρει από έναν ηλεκτροκαταλύτη.
Τι είναι ο Καταλύτης;
Ο καταλύτης είναι μια ουσία που επιταχύνει μια χημική αντίδραση χωρίς να καταναλωθεί. Μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για μια χημική αντίδραση από θερμοδυναμική άποψη. Επηρεάζει επίσης την ενέργεια ενεργοποίησης σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση.
Ένας ηλεκτροκαταλύτης είναι ένας καταλύτης που επηρεάζει την ενέργεια ενεργοποίησης μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Στις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, η ενέργεια ενεργοποίησης είναι ανάλογη με το δυναμικό ή την τάση στην οποία συμβαίνει η αντίδραση. Ως αποτέλεσμα, οι ηλεκτροκαταλύτες συχνά αλλάζουν το δυναμικό στο οποίο συμβαίνουν οι αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής. Ο πρωταρχικός σκοπός των ηλεκτροκαταλυτών είναι να επιταχύνουν τις ηλεκτροχημικές διεργασίες που συμβαίνουν σε επιφάνειες ηλεκτροδίων ή σε οποιαδήποτε διεπαφή στερεού-υγρού.
Γενικά, οι ηλεκτροκαταλύτες χωρίζονται σε δύο τύπους, τους ομογενείς και τους ετερογενείς ηλεκτροκαταλύτες. Ένας ομογενής ηλεκτροκαταλύτης υπάρχει στην ίδια φάση με τα αντιδρώντα και βοηθά στην επιτάχυνση μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης σε διάλυμα. Κυρίως, οι ομογενείς ηλεκτροκαταλύτες είναι διαλυτοί, βοηθούν στη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ του ηλεκτροδίου και των αντιδρώντων και διευκολύνουν έναν χημικό μετασχηματισμό που χαρακτηρίζεται από μια συνολική ημιαντίδραση.
Ορισμένα ένζυμα έχουν την ικανότητα να δρουν ως ηλεκτροκαταλύτες. Η νιτρογενάση, ένα ένζυμο που περιέχει συστάδες MoFe, χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση του ατμοσφαιρικού αζώτου, μετατρέποντας το αέριο άζωτο σε ενώσεις όπως η αμμωνία. Ένα άλλο παράδειγμα, το ένζυμο μυρμηκική αφυδρογονάση που περιέχει νικέλιο, έχει πυροδοτήσει την ανάπτυξη συνθετικών ενώσεων με συγκρίσιμες μοριακές αρχιτεκτονικές για τη μείωση του CO2.
Ωστόσο, όταν πρόκειται για ετερογενείς ηλεκτροκαταλύτες, υπάρχει σε διαφορετική φάση από τα αντιδρώντα. Οι περισσότερες ετερογενείς ηλεκτροκαταλυτικές αντιδράσεις απαιτούν μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ του στερεού καταλύτη, που μπορεί να είναι μέταλλο, και του ηλεκτρολύτη, που μπορεί να είναι ένα υγρό διάλυμα και ένα πολυμερές ικανό για ιοντική αγωγιμότητα.
Η αντίδραση επηρεάζεται τόσο από τον καταλύτη όσο και από τον ηλεκτρολύτη και τη διεπαφή. Διακρίνει επίσης μεταξύ στερεών, υγρών και αερίων συστατικών και μεταξύ μη αναμίξιμων μιγμάτων όπως λάδι και νερό. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα ετερογενών ηλεκτροκαταλυτών είναι τα νανοσωματίδια. Αν και διάφορα υλικά νανοσωματιδίων έχει αποδειχθεί ότι προωθούν ποικίλες ηλεκτροχημικές διεργασίες, εξαρτάται από το μέγεθος, τη μορφή και την επιφανειακή καταπόνηση.
Ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στην ηλεκτρόλυση νερού
Η ηλεκτρόλυση του νερού διασπά το νερό σε οξυγόνο και αέριο υδρογόνο χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό το αέριο υδρογόνο μπορεί να παράγει καύσιμο υδρογόνο ή αέριο οξυϋδρογόνο, που χρησιμοποιείται στη συγκόλληση.
Μια αντίδραση αναγωγής λαμβάνει χώρα σε καθαρό νερό, το οποίο περιέχει την αρνητικά φορτισμένη κάθοδο. Τα ηλεκτρόνια (e−) από την κάθοδο μεταφέρονται σε κατιόντα υδρογόνου, με αποτέλεσμα το αέριο υδρογόνο. Η μισή αντίδραση, ισορροπημένη με οξύ, είναι:
Μείωση στην κάθοδο:2 H+(aq) + 2e− → H2(g)
Όταν πρόκειται για τη θετικά φορτισμένη άνοδο, εμφανίζεται μια αντίδραση οξείδωσης, η οποία δημιουργεί αέριο οξυγόνο και δίνει ηλεκτρόνια προς την άνοδο. Το παρακάτω είναι:
Οξείδωση στην άνοδο:2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e−
Δεν πρέπει να εξισορροπούνται όλες οι ημιαντιδράσεις με οξύ ή βάση υπό οποιεσδήποτε συνθήκες. Από την άλλη πλευρά, αντιδράσεις ισορροπίας οξέος παρατηρούνται συνήθως σε όξινα διαλύματα (χαμηλού pH). Ωστόσο, κυριαρχείται από βασικά διαλύματα (υψηλού pH) όταν πρόκειται για αντιδράσεις ισορροπημένης βάσης.
Κάθοδος (αναγωγή):2 H2O(l) + 2e− → H2(g) + 2 OH −(aq)
Άνοδος (οξείδωση):2 OH−(aq) → 1/2 O2(g) + H2O (ιβ) + 2 ε−
Όταν συνδυάζεται κάθε ζεύγος μισής αντίδρασης, η συνολική διάσπαση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο είναι μόλις το ίδιο.
Συνολική αντίδραση:2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Στην ηλεκτρόλυση νερού, το νερό μειώνεται στην κάθοδο για να σχηματίσει Η2 και το νερό οξειδώνεται στην άνοδο σε παράγουν Ο2. Εδώ, και οι δύο αντιδράσεις είναι κινητικά αργές, με αποτέλεσμα χαμηλή ενεργειακή απόδοση. Ως αποτέλεσμα, απαιτούνται ηλεκτροκαταλύτες για να επιταχύνουν την αντίδραση στα ηλεκτρόδια.
Η ηλεκτρόλυση του νερού χαιρετίζεται για την ικανότητά της να παράγει υπερκαθαρό υδρογόνο. Ωστόσο, τα κινηματικά όρια της διαδικασίας εξέλιξης του ανοδικού οξυγόνου περιορίζουν την ενεργειακή απόδοση των παραδοσιακών συστημάτων ηλεκτρόλυσης νερού.
Μια καινοτόμος και πολύ βελτιωμένη έκδοση του υβριδικού συστήματος ηλεκτρόλυσης νερού έχει αναπτυχθεί και επιδειχθεί τα τελευταία χρόνια δεκαετία. Οι κρίσιμες προκλήσεις στη συμβατική ηλεκτρόλυση νερού αντιμετωπίζονται με την αντικατάσταση της αντίδρασης έκλυσης οξυγόνου με πιο απλοϊκές αντιδράσεις οξείδωσης και τη σύζευξη με την καθοδική αντίδραση έκλυσης υδρογόνου.
Πλεονεκτήματα των ηλεκτροκαταλυτών
Οι ηλεκτροκαταλύτες χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρόλυση του νερού και βοηθούν στην αντίδραση οξείδωσης μεθανόλης.
Χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροαπόθεση μετάλλων και χρησιμοποιούνται επίσης σε αντιδράσεις αναγωγής υδρογόνου και οξυγόνου.
Χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία διαχείρισης λυμάτων και χρησιμοποιούνται στη σύνθεση νανοσωματιδίων.
Είναι χρήσιμο να μελετήσετε τις διάφορες χημικές αντιδράσεις.
Χρησιμοποιούνται για την αποφυγή παρεμβολών στη διαδικασία ηλεκτρομείωσης.
Χρησιμοποιούνται στις φυσικές, χημικές και βιολογικές επιστήμες.
Χρησιμοποιούνται για τη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης της μείωσης μεταφοράς φορτίου.
Συμπέρασμα
Οι ηλεκτροκαταλύτες διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στην καθημερινή ζωή και είναι απαραίτητοι στην ανάπτυξη πολλών προϊόντων. Δεν χρησιμοποιείται μόνο στον τομέα της χημείας αλλά και στις βιολογικές και φυσικές επιστήμες. Χρησιμοποιείται επίσης στην ανάπτυξη κυψελών καυσίμου και δεν είναι η μόνη χρήση της κατάλυσης σε αυτόν τον τομέα.