Πώς να διδάξετε σε έναν ηλικιωμένο σκύλο νέα κόλπα:Προώθηση περοβσκίτη μέσω ντόπινγκ ανιόντων
Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί εύκολα μέσω ηλεκτρόλυσης νερού (2H2 O → 2H2 + O2 ), μια διαδικασία που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να σπάσει τους δεσμούς μεταξύ των συστατικών στοιχείων (δηλ. , υδρογόνο και οξυγόνο) των μορίων του νερού και τα απελευθερώνει σε αέρια μορφή.
Το αέριο υδρογόνο έχει υψηλή περιεκτικότητα σε ενέργεια, ωστόσο ένας κινητήρας που καίει καθαρό υδρογόνο παράγει σχεδόν μηδενική ρύπανση, σε αντίθεση με αυτούς που τροφοδοτούνται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Ως εκ τούτου, η ηλεκτρόλυση του νερού είναι εδώ και πολύ καιρό ένας σημαντικός ερευνητικός τομέας για τις μετατροπές διακοπτόμενων πηγών ενέργειας, όπως το ηλιακό φως και ο άνεμος, σε ευέλικτες και εύκολα ελεγχόμενες μορφές ενέργειας.
Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που εμποδίζουν αυτή τη διαδικασία να είναι μεγάλης κλίμακας είναι η έλλειψη κατάλληλων υλικών ηλεκτροδίων. Το Pt είναι τα τελευταίας τεχνολογίας συστατικά ηλεκτροδίων για την κατάλυση της αντίδρασης εξέλιξης υδρογόνου (HER), ενώ το RuO2 είναι αυτή για την αντίδραση έκλυσης οξυγόνου (OER). Ωστόσο, και οι δύο υποφέρουν από το υψηλό κόστος, το σπάνιο απόθεμα και την κακή σταθερότητα. Ως μια ομάδα πολλά υποσχόμενων εναλλακτικών υλικών ηλεκτροδίων, τα οξείδια περοβσκίτη έχουν μελετηθεί ευρέως για να ενισχύσουν τους ρυθμούς αντίδρασης των ηλεκτροδίων και τη σταθερότητα των ηλεκτροδίων στους ηλεκτρολύτες νερού. Ωστόσο, η τρέχουσα ζήτηση απαιτεί υψηλότερη δραστηριότητα και σταθερότητα από αυτά που παρέχουν τα υπερσύγχρονα οξείδια περοβσκίτη.
Τυπικά, στον περοβσκίτη ABO3 δομή, το κατιόν της θέσης Β είναι 6 φορές συντονισμένο με ανιόντα οξυγόνου, ενώ το κατιόν της θέσης Α είναι 12 φορές συντονισμένο. Ερευνητές στον Καναδά και την Κίνα έχουν προτείνει έναν νέο τρόπο υποκατάστασης ανιόντων F για τη ρύθμιση των κέντρων αποκλεισμού p του περοβσκίτη για ηλεκτροκατάλυση διάσπασης νερού. Οι ερευνητές πρότειναν τους πιθανούς μηχανισμούς λειτουργίας που είναι θεμελιωδώς πέρα από τις τρέχουσες αντιλήψεις που αντλούνται από το ντόπινγκ των θέσεων Α-/Β και μπορούν να ρίξουν φως στις επιρροές του ανιόντος F στην καταλυτική απόδοση. Η προσέγγιση ντόπινγκ F-ανιόντων είναι απλή και καθολική και ξεκινά από ατομικά επίπεδα, επομένως μπορεί να παρέχει έναν νέο οδηγό σχεδιασμού για τα οξείδια περοβσκίτη.
Η στιβαρότητα του νέου ηλεκτρολύτη δοκιμάστηκε κάτω από ακραίες συνθήκες υψηλής πυκνότητας ρεύματος (~0,21 A cm) και 10 M KOH, συνθήκες που υιοθετούνται συχνά στους εμπορικούς αλκαλικούς ηλεκτρολύτες. Φαίνεται ότι ο νέος ηλεκτρολύτης παρουσιάζει καλή ηλεκτροχημική σταθερότητα κατά τη διάρκεια αυτής της βραχυπρόθεσμης δοκιμής. Το πιο σημαντικό, η ποσότητα του παραγόμενου O2 είναι πολύ κοντά στη θεωρητική τιμή και επιφυλάσσεται τόσο καλή απόδοση στο τέλος της συνεδρίας, αντανακλώντας έναν σταθερό ρυθμό κατάλυσης και σταθερότητα υπό σκληρές συνθήκες.
Αυτά τα αποτελέσματα αποδεικνύουν πιστά τις απαιτήσεις για εμπορική εφαρμογή. Ενώ υπάρχει ακόμη περισσότερη δουλειά να γίνει, τα νέα ερευνητικά ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν συστήματα ηλεκτρόλυσης νερού που χρησιμοποιούν αυτούς τους τύπους νέων υλικών. Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα στρέφει την εστίασή της στη σταθεροποίηση των υλικών του ηλεκτροδίου προκειμένου να αποτρέψει την ταχεία υποβάθμισή τους.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Activating p-blocking centers in perovskite for efikas water splitting, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Chem . Η εργασία περιγράφει κυρίως την πολλά υποσχόμενη μέθοδο υποκατάστασης ανιόντων για τη ρύθμιση της δραστηριότητας του πλέγματος O στο οξείδιο του περοβσκίτη, από άποψη απόδοσης και σχεδίασης. Επιπλέον, συζητά τις θεμελιώδεις έννοιες στην ηλεκτροκατάλυση για τον ορθολογικό σχεδιασμό του οξειδίου περοβσκίτη μέσω αντικατάστασης ανιόντων και επιθεωρεί λεπτομερώς την τρέχουσα κατανόηση και τον αντίκτυπό της στις τάσεις απόδοσης και τις μελλοντικές κατευθύνσεις των ηλεκτροκαταλυτών περοβσκίτη. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Dr. Bin Hua, τον Dr. Meng Li και τους συνεργάτες του από το Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα (Καναδάς), το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Ανατολικής Κίνας (Κίνα) και το Natural Resources Canada.
Αναφορά:
- Bin Hua, Meng Li, Wanying Pang, Weiqiang Tang, Shuangliang Zhao, Zhehui Jin, Yimin Zeng, Babak Shalchi Amirkhiz, Jing-Li Luo, Ενεργοποίηση κέντρων αποκλεισμού p στον περοβσκίτη για αποτελεσματική διάσπαση νερού, Chem , 2018, 4, 2902-2916.
