Устройство, описанное в исследовании, опубликованном 23 июня по своей природе Коммуникации, могло обеспечить возобновляемый источник чисто горящего водородного топлива для транспортировки и промышленности.’Мы развивали низковольтный, разделитель воды единственного катализатора, который непрерывно производит водород и кислород больше 200 часов, увлекательной работы мирового рекорда’, сказал соавтор исследования И Цуй, адъюнкт-профессор материаловедения и разработки в Стэнфорде и науки фотона в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.В разработке сначала, Цуй и его коллеги использовали технологию литий-ионного аккумулятора, чтобы создать один недорогой катализатор, который способен к улучшению всей разделяющей воду реакции.’Наша группа вела идею использовать литий-ионные аккумуляторы, чтобы искать катализаторы’, сказал Цуй. ‘Наша надежда состоит в том, что эта техника приведет к открытию новых катализаторов для других реакций вне разделения воды’.
Чистый водородВодород долго продвигался как альтернатива без эмиссии бензину. Несмотря на его стабильную репутацию, большая часть водорода товарного сорта сделана из природного газа, ископаемого топлива, которое способствует глобальному потеплению. Как альтернатива, ученые пытались развивать дешевый и эффективный способ извлечь чистый водород из воды.
Обычное разделяющее воду устройство состоит из двух электродов, погруженных в основанный на воде электролит. Низковольтный ток относился к двигателям электродов каталитическая реакция, которая отделяет молекулы H2O, выпуская пузыри водорода на одном электроде и кислорода на другом.Каждый электрод включен с различным катализатором, как правило платиной и иридием, двумя редкими и дорогостоящими металлами. Но в 2014, Стэнфордский химик Хонгджи Дэй развивал водный разделитель, сделанный из недорогого никеля и железа, которое работает от обычной 1,5-вольтовой батареи.
Единственный катализаторВ новом исследовании Цуй и его коллеги продвинули ту технологию далее.’Наш водный разделитель уникален, потому что мы только используем один катализатор, окись железа никеля, для обоих электродов’, сказал аспирант Хэотиэн Ван, ведущий автор исследования. ‘Этот bifunctional катализатор может разделять воду непрерывно больше недели с устойчивым входом всего 1,5 В электричества.
Это – беспрецедентная разделяющая воду эффективность 82 процентов при комнатной температуре’.В обычных водных разделителях катализаторы водорода и кислорода часто требуют, чтобы различные электролиты с различным pH – одно кислое, одно щелочное – остались стабильными и активными. ‘Для практического водного разделения дорогой барьер необходим, чтобы отделить эти два электролита, добавляя к стоимости устройства’, сказал Ван. ‘Но наш разделитель воды единственного катализатора работает эффективно в одном электролите с однородным pH’.Ван и его коллеги обнаружили, что окись железа никеля, которая является дешевой и легкой произвести, на самом деле более стабильна, чем некоторые коммерческие катализаторы, сделанные из драгоценных металлов.’Мы построили обычный водный разделитель с двумя эталонными катализаторами, одной платиной и одним иридием’, сказал Ван. ‘Сначала устройству только были нужны 1,56 В электричества, чтобы разделить воду, но в течение 30 часов мы должны были увеличить напряжение почти 40 процентов.
Это – значительное снижение эффективности’.Брак батарей и катализаЧтобы счесть каталитический материал подходящим для обоих электродов, Стэнфордская команда одолжила технику, используемую в исследовании батареи, названном вызванной литием электрохимической настройкой. Идея состоит в том, чтобы использовать литиевые ионы, чтобы химически сломать металлический окисный катализатор в мелкие и мелкие кусочки.
‘Разрушение металлической окиси в крошечные частицы увеличивает свою площадь поверхности и выставляет много ультранебольших, связанных границ зерна, которые становятся активными местами для разделяющей воду каталитической реакции’, сказал Цуй. ‘Этот процесс создает крошечные частицы, которые сильно связаны, таким образом, у катализатора есть очень хорошая электрическая проводимость и стабильность’.Ван использовал электрохимическую настройку – вставление лития, вынимая литий – чтобы проверить каталитический потенциал нескольких металлических окисей.’Haotian в конечном счете обнаружил, что окись железа никеля – материал выполнения мирового рекорда, который может катализировать и водород и кислородную реакцию’, сказал Цуй. ‘Никакой другой катализатор не может сделать это с такой большой работой’.Используя один катализатор, сделанный из никеля и железа, имеет значительные последствия с точки зрения стоимости, добавил он.
‘Не только более дешевые материалы, но и наличие единственного катализатора также уменьшает два набора капиталовложения одному’, сказал Цуй. ‘Мы полагаем, что электрохимическая настройка может использоваться, чтобы найти новые катализаторы для другого химического топлива вне водорода. Техника много лет использовалась в исследовании батареи, но это – новый подход для катализа. Брак этих двух областей очень силен’.
Другие Стэнфордские соавторы исследования – постдокторский ученый Хюн-Вук Ли, навещая студента Жиия Лу, и аспирантов Ён Дэна, По-Chun Сюй, Яюань Лю и Дингчанг Лин.Видео разделяющего воду устройства доступно в: https://www.youtube.com/watch? v=wsWUoCxjXJQ