Alternatiiv plaatinale: raudne-lämmastiku ühendid kui grapheeni katalüsaatorid

SÜG Alternatiiv 2015 (Juuli 2019).

Anonim

Kütuseelemendid muudavad vesiniku (H2) ladustatud keemilise energia elektrienergiaks, elektrokeemiliselt "põletavad" vesinikgaasi hapnikuga (O2) õhust veele (H2O), tekitades seeläbi elektrit. Tulemuseks võib öelda, et tulevasi elektrimootoreid võib kütuseelementide asemel kasutada raske akudega. Kuid vesiniku- ja hapniku "külma" põlemise korral peab ka kütuseelemendi anood ja katood olema kaetud äärmiselt aktiivsete katalüsaatoritega. Probleemiks on see, et plaatina baasil töötavad katalüsaatorid annavad umbes 25 protsenti kütusekulu kogukuludest.

Kuid graanil olevad raud-lämmastikkompleksid (tuntud kui Fe-NC-katalüsaatorid) on juba mitu aastat saavutanud Pt / C-katalüsaatoritega võrreldava aktiivsuse taseme. "Fe-NC-i katalüsaatorite süstemaatiline uurimine oli keeruline, kuna enamik materjalide valmistamise lähenemisviisid viivad heterogeensete ühendite hulka. Nende hulka kuuluvad erinevad rauaühendite liigid, nagu näiteks raua karbiidid või nitriidid, lisaks ette nähtud FeN4-keskustele, " selgitab Sebastian Fiechter, HZB.

Katalüütiliselt aktiivsete keskuste suur tihedus

"Meil oli juba mõni aasta tagasi juba välja töötatud uus valmistamismeetod HZB-s, et toota odav metallorgaaniliste ühendite nagu raua või koobalti porfüriini katalüsaator", teatab Peter Bogdanoff, HZB. Ulrike Kramm ja Iris Herrmann-Geppert paranesid selle tootmiseks HZB doktoriõppe osana. Selle tulemusena oli HZB-s välja töötatud metal-NC-katalüsaatorid maailma rekordiks mitmete nitro-metalliühendite katalüütiliselt aktiivsete keskuste tihedusele kuni umbes 2011. aastani. Siiski jäi ebaselgeks, millised anorgaanilised ühendid mõjutavad katalüütilist efektiivsust. Meeskond oli nüüd võimeline seda otsustama.

Puhastamisprotsess eemaldab häirivad ühendid

Praeguse töö esiletõstmine on puhastusprotsess (termilise töötlemise kombinatsioon koos järgneva söövitusetapiga), mille abil saab oluliselt vähendada ka katalüsaatorite puhul, mis on väga heterogeensed, katalüütilise aktiivsusega häireid põhjustavate metallühendite osakaalu. Huvitav on see, et tegevus suureneb tohutult! Ulrike Kramm, kes on sellest ajast saanud TU Darmstadti nooremprofessoriks, õnnestus mitmete katalüsaatorite puhastamisel sellisel määral, et kõik grafeeni kihtides olevad rauad olid eranditult raua ja neli lämmastikuaatomite (FeN4) kompleksi kujul. Seepärast taandas teadlased ekspertide seas arutletud hüpoteesi, mille kohaselt FeN4 keskuste aktiivsuse paranemine oli tingitud ainult sellistest promootoritest nagu raua nanoosakesed.

Nüüd on kinnitatud: FeN4-keskused annavad kõrge katalüütilise efektiivsuse ka ilma promootoriteta

"Selle hüpoteesi kontrollimiseks kasutasime BESSY II juures mitut kompleksset mõõtmistehnikat, nagu Mößbaueri spektroskoopia, elektronparamagneetiline resonantsspektroskoopia ja röntgenkiirguse spektroskoopia, mis võimaldasid meil täpselt uurida katalüütilise keskuse aatomistruktuuri, " lisas Ulrike Kramm.

"Puhastusprotsess võimaldab meil nüüd luua ainult FeN4-tsentritega katalüsaatoreid, mis võimaldab meil hiljem valida ühendid, mis hiljem lisatakse, kui promootorid, mis veelgi parandavad nende katalüsaatorite aktiivsust või stabiilsust", kuna Ulrike Kramm võtab TU-s oma uurimisviisi kokku Darmstadt.

Sebastian Fiechter ja Peter Bogdanoff jätkavad oma uurimistööd HZB-iga uute katalüsaatorite puhul, eriti seoses päikesevalgust kasutava vesiniku genereerimisega. "Me võime kasutada ka teadmisi selle kohta, kuidas need metall-NC-katalüsaatorid töötavad meie pidevas HZB päikeseenergia tootmisel tekkivate katalüsaatorite väljatöötamisel, " ütleb Fiechter.

Üheskoos võiksid HZB ja Tarmoendis tehtavad teadusuuringud võimaldada täieliku regeneratiivse energia tsükli väljaarendamist, kasutades vähese kuluga kütuseelementides päikeseenergiat, mis toodab seega elektrit kliimasegusega.

Tulemused on nüüd avaldatud Ameerika Keemia Seltsi ajakirjas.

Lihtsalt valmistada metall-lämmastikuga legeeritud süsinik, mille ekspressiooniks on ORN-i jaoks aktiivsed MeN4-tüüpi saidid, Ulrike I. Kramm, Iris Herrmann-Geppert, Jan Behrends, Klaus Lips, Sebastian Fiechter ja Peter Bogdanoff

menu
menu