کاتالیزور جدید و گران‌قیمت، تولید اکسیژن از آب را تسریع می‌کند

شکل ۱. این شکل یک واکنش الکتروشیمیایی را به تصویر می‌کشد، مولکول‌های آب (در سمت راست، با اتم اکسیژن قرمز رنگ، و دو اتم هیدروژن سفید رنگ) را به مولکول‌های اکسیژن (در سمت چپ) تقسیم می‌کند، که در ساختار چارچوب آلی هیدروکسید فلزی تیم جای می‌گیرد، که به‌عنوان شبکه در بالا و پایین نشان‌داده شده‌است.

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲۶ فوریه، ۲۰۲۲
لینک منبع: Entirely New, Inexpensive Catalyst Speeds the Production of Oxygen From Water

این مواد می‌توانند جایگزین فلزات کمیاب شده و منجر به تولید اقتصادی‌تر سوخت‌های کربن خنثی شوند.

یک واکنش الکتروشیمیایی که مولکول‌های آب را از هم می‌پاشد تا اکسیژن تولید کند در قلب روش‌های متعددی قرار دارد که هدف آن‌ها تولید سوخت‌های جایگزین برای حمل‌ونقل است. اما این واکنش باید توسط یک ماده کاتالیست تسهیل شود، و نسخه‌های امروزی نیاز به استفاده از عناصر کمیاب و گران‌قیمت مانند ایریدیوم دارند، که پتانسیل چنین تولید سوختی را محدود می‌کنند.

در حال حاضر، محققان در MIT و جاهای دیگر یک نوع کاملا جدید از مواد کاتالیزور، به نام چارچوب فلزی هیدروکسید آلی(MHOF) را توسعه داده‌اند، که از اجزای ارزان و فراوان ساخته شده‌است. خانواده مواد به مهندسان اجازه می‌دهد تا ساختار و ترکیب کاتالیزور را به‌طور دقیق با نیازهای یک فرآیند شیمیایی خاص تنظیم کنند، و سپس می‌تواند عملکرد کاتالیست‌های معمولی و گران‌تر را تطبیق داده یا از آن تجاوز کند.

این یافته‌ها در تاریخ ۲۴ فوریه ۲۰۲۲ در مجله «مواد طبیعی» در مقاله‌ای توسط فوق‌دکتری MIT شوای یوآن، دانشجوی تحصیلات تکمیلی جیایو پنگ، پروفسور یانگ شائو-هورن، پروفسور یوری رومان-لسکوف و نه نفر دیگر شرح داده می‌شوند.

واکنش‌های تکامل اکسیژن یکی از واکنش‌های معمول در تولید الکتروشیمیایی سوخت‌ها، مواد شیمیایی و مواد هستند. این فرآیندها شامل تولید هیدروژن به‌عنوان محصول جانبی تکامل اکسیژن است که می‌تواند به‌طور مستقیم به‌عنوان سوخت استفاده شود و یا تحت واکنش‌های شیمیایی برای تولید دیگر سوخت‌های حمل‌ونقل؛ تولید آمونیاک، استفاده به‌عنوان کود یا مواد خام شیمیایی؛ و کاهش دی‌اکسید کربن به‌منظور کنترل انتشار گازهای گلخانه‌ای قرار گیرد.

شائو-هورن می‌گوید: اما بدون کمک، «این واکنش‌ها کند هستند». «برای یک واکنش با سینتیک کند، شما باید ولتاژ یا انرژی را قربانی کنید تا سرعت واکنش را افزایش دهید.» به دلیل انرژی اضافی مورد نیاز، بازده کلی پایین است. او می‌گوید: «به همین دلیل است که مردم از کاتالیزور استفاده می‌کنند»، زیرا این مواد به‌طور طبیعی با کاهش انرژی ورودی، واکنش‌ها را افزایش می‌دهند.

رومان لسکوف می‌گوید: اما تا به امروز، این کاتالیزورها «همگی بر مواد گران‌قیمت یا فلزات انتقالی تاخیری تکیه دارند که بسیار کمیاب هستند، برای مثال اکسید ایریدیوم، و تلاش زیادی در جامعه برای یافتن جایگزین‌هایی براساس مواد فراوان زمین که عملکرد مشابهی از نظر فعالیت و پایداری دارند، صورت‌گرفته است.» این تیم می‌گوید که موادی را پیدا کرده‌اند که دقیقا ترکیبی از ویژگی‌ها را فراهم می‌کنند.

رومان-لسکوف می‌گوید که تیم‌های دیگر استفاده از هیدروکسیدهای فلزی، مانند هیدروکسیدهای نیکل-آهن را بررسی کرده‌اند. اما چنین موادی برای تطبیق با الزامات برنامه‌های خاص دشوار بوده‌اند. با این حال، «دلیل این که کار ما بسیار هیجان‌انگیز و تقریبا مرتبط است این است که ما راهی برای تطبیق خواص با نانوساختار این هیدروکسیدهای فلزی به روشی منحصربه‌فرد پیدا کرده‌ایم.»

این تیم از تحقیقاتی که بر روی یک دسته از ترکیبات شناخته‌شده به‌عنوان چارچوب‌های فلزی-آلی MOF) ها) انجام شده‌است، وام گرفته است، که نوعی ساختار کریستالی ساخته‌شده از گره‌های اکسید فلزی با مولکول‌های عامل پیوند آلی به هم مرتبط شده‌اند

با جایگزین کردن اکسید فلز در چنین موادی با هیدروکسیدهای فلزی خاص، این تیم کشف کرد که ایجاد مواد قابل تنظیم دقیق که پایداری لازم برای مفید بودن بالقوه به‌عنوان کاتالیزور را داشته باشند، ممکن شده‌است.

رومان-لسکوف می‌گوید: «شما این زنجیرها را در کنار یکدیگر قرار می‌دهید، و آن‌ها در واقع تشکیل صفحات هیدروکسید فلزی را که به هم متصل هستند، هدایت می‌کنند و سپس روی هم انباشته می‌شوند و ثبات بیشتری دارند.» او می‌گوید این امر مزایای متعددی دارد، از طریق کنترل دقیق بر روی الگوسازی نانو ساختار، اجازه کنترل دقیق خواص الکترونیکی فلز، و همچنین فراهم کردن ثبات بیشتر، که آن‌ها را قادر می‌سازد تا در دوره‌های طولانی استفاده مقاومت کنند.

شائو-هورن می‌گوید: در آزمایش چنین موادی، محققان عملکرد کاتالیزور را «شگفت‌انگیز» یافتند. «این روش با روش پیشرفته اکسید که برای واکنش تکامل اکسیژن کاتالیز می‌شود، قابل‌مقایسه است.»

آن‌ها می‌گویند، این مواد که عمدتا از نیکل و آهن تشکیل شده‌اند، باید حداقل ۱۰۰ برابر ارزان‌تر از کاتالیست‌های موجود باشند، اگرچه تیم هنوز یک تحلیل اقتصادی کامل انجام نداده‌است.

شائو-هورن می‌گوید، این خانواده از مواد «واقعا یک فضای جدید برای تنظیم مکان‌های فعال برای کاتالیز تجزیه آب به‌منظور تولید هیدروژن با ورودی انرژی کاهش‌یافته ارائه می‌دهند»، تا نیازهای دقیق هر فرآیند شیمیایی داده‌شده که در آن به چنین کاتالیزورهایی نیاز است را برآورده کند.

پنگ می‌گوید این مواد به سادگی با جایگزین کردن فلزات مختلف به جای نیکل در ترکیب، می‌توانند «قابلیت تنظیم پنج برابر بیشتر» نسبت به کاتالیزورهای مبتنی‌بر نیکل موجود داشته باشند. «این کار به‌طور بالقوه راه‌های مرتبط بسیاری را برای اکتشافات آینده ارائه می‌دهد.»

تاکنون، مواد در دستگاه‌های آزمایشگاهی در مقیاس کوچک مورد آزمایش قرار گرفته‌اند، و تیم در حال حاضر در حال بررسی مسائل تلاش برای مقیاس‌بندی این فرآیند به مقیاس‌های مرتبط تجاری است، که هنوز هم ممکن است چند سال طول بکشد. اما شائو-هورن می‌گوید، این ایده پتانسیل زیادی برای کمک به تسریع تولید سوخت هیدروژن پاک و عاری از آلایندگی دارد، به‌طوری که ما می‌توانیم هزینه هیدروژن را از این فرآیند کم کنیم در حالی که توسط در دسترس بودن فلزات گران‌بها محدود نمی‌شود. این مهم است، زیرا ما به فن‌آوری‌های تولید هیدروژن نیاز داریم که بتوانند مقیاس‌پذیر باشند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات شیمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.