مطالعه واکنش بسیاری از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر را نشان می‌دهد | اخبار MIT

یک واکنش شیمیایی کلیدی – که در آن حرکت پروتون‌ها بین سطح الکترود و الکترولیت جریان الکتریکی را به حرکت در می‌آورد – یک گام مهم در بسیاری از فناوری‌های انرژی، از جمله سلول‌های سوختی و الکترولیزکننده‌هایی است که برای تولید گاز هیدروژن استفاده می‌شوند.

برای اولین بار، شیمیدانان MIT نحوه انجام این انتقال الکترون جفت شده با پروتون در سطح الکترود را به تفصیل شرح دادند. نتایج آنها می تواند به محققان در طراحی سلول های سوختی کارآمدتر، باتری ها یا سایر فناوری های انرژی کمک کند.

یوگش سورندرانات می‌گوید: «پیشرفت ما در این مقاله، مطالعه و درک ماهیت چگونگی اتصال این الکترون‌ها و پروتون‌ها به محلی روی سطح بود که مربوط به واکنش‌های کاتالیزوری است، که در زمینه دستگاه‌های تبدیل انرژی یا واکنش‌های کاتالیزوری مهم است. ، استاد شیمی و مهندسی شیمی در MIT و نویسنده ارشد این مطالعه.

در میان یافته‌های خود، محققان توانستند دقیقاً ردیابی کنند که چگونه تغییرات در pH محلول الکترولیت اطراف الکترود بر سرعت حرکت پروتون و جریان الکترون در الکترود تأثیر می‌گذارد.

نوح لوئیس، دانشجوی MIT، نویسنده اصلی این کتاب است کاغذکه امروز در شیمی طبیعی. رایان بیسبی، فوق دکترای سابق MIT؛ کارل وستندورف، دانشجوی MIT؛ و الکساندر سوداکوف، محقق دانشگاه ییل نیز این مقاله را نوشته اند.

عبور پروتون ها

انتقال الکترون جفت شده با پروتون زمانی اتفاق می افتد که یک مولکول، اغلب آب یا اسید، یک پروتون را به مولکول دیگر یا به سطح الکترود منتقل می کند، که گیرنده پروتون را تحریک می کند تا یک الکترون را نیز بپذیرد. این نوع واکنش برای بسیاری از کاربردهای انرژی استفاده می شود.

“این واکنش های انتقال الکترون جفت شده با پروتون در همه جا وجود دارد. Surendranath می گوید: آنها اغلب گام های کلیدی در مکانیسم های کاتالیزوری هستند و به ویژه برای فرآیندهای تبدیل انرژی مانند تولید هیدروژن یا کاتالیز پیل سوختی مهم هستند.

در یک الکترولیز مولد هیدروژن، از این روش برای حذف پروتون ها از آب و افزودن الکترون به پروتون ها برای تشکیل گاز هیدروژن استفاده می شود. در یک پیل سوختی، زمانی که پروتون ها و الکترون ها از گاز هیدروژن خارج شده و به اکسیژن اضافه می شوند تا آب تشکیل شود، الکتریسیته تولید می شود.

انتقال الکترون جفت شده با پروتون در بسیاری از انواع دیگر واکنش های شیمیایی رایج است، به عنوان مثال کاهش دی اکسید کربن (تبدیل دی اکسید کربن به سوخت های شیمیایی با افزودن الکترون ها و پروتون ها). دانشمندان در مورد چگونگی وقوع این واکنش ها هنگامی که گیرنده های پروتون مولکول هستند، چیزهای زیادی یاد گرفته اند، زیرا آنها می توانند ساختار هر مولکول را دقیقاً کنترل کنند و نحوه عبور الکترون ها و پروتون ها را از بین آنها تماشا کنند. با این حال، زمانی که انتقال الکترون جفت شده با پروتون در سطح یک الکترود اتفاق می افتد، مطالعه این فرآیند بسیار دشوارتر است زیرا سطوح الکترود معمولاً بسیار ناهمگن هستند و دارای مکان های مختلفی هستند که پروتون به طور بالقوه می تواند به آنها متصل شود.

برای غلبه بر این مانع، تیم MIT راهی برای طراحی سطوح الکترود ایجاد کرد که به آنها کنترل بسیار دقیق تری بر ترکیب سطح الکترود می دهد. الکترودهای آنها از ورقه های گرافن با ترکیبات آلی حاوی حلقه متصل به سطح تشکیل شده است. در انتهای هر یک از این مولکول‌های آلی یک یون اکسیژن با بار منفی وجود دارد که می‌تواند پروتون‌های محلول اطراف را بپذیرد و باعث می‌شود که یک الکترون از زنجیره به داخل سطح گرافیت جریان یابد.

Surendranath می‌گوید: «ما می‌توانیم الکترودی ایجاد کنیم که از مکان‌های مختلف تشکیل نشده باشد، اما آرایه‌ای یکنواخت از یک نوع مکان‌های کاملاً مشخص است که هر کدام می‌توانند یک پروتون را با میل ترکیبی یکسان به هم متصل کنند.» از آنجایی که ما این سایت‌های کاملاً تعریف‌شده را داریم، چیزی که به ما اجازه داد این بود که واقعاً سینتیک این فرآیندها را آشکار کنیم.»

با استفاده از این سیستم، محققان توانستند جریان الکتریکی به الکترودها را اندازه‌گیری کنند که به آنها امکان می‌داد سرعت انتقال پروتون به یون اکسیژن سطحی را در حالت تعادل محاسبه کنند – حالتی که نرخ‌های اهدای پروتون به سطح و پروتون انتقال مجدد به محلول از سطح برابر است. آنها دریافتند که pH محلول اطراف تأثیر قابل توجهی بر این میزان دارد: بالاترین مقادیر در انتهای مقیاس pH مشاهده شد – PH 0، اسیدی ترین، و pH 14، اساسی ترین.

برای توضیح این نتایج، محققان مدلی را بر اساس دو واکنش احتمالی که می تواند در الکترود رخ دهد، توسعه دادند. در اول، یون های هیدرونیوم (H₃O⁺) که در محلول های بسیار اسیدی غلظت بالایی دارند، پروتون را به یون های اکسیژن سطح می رسانند و آب تولید می کنند. در مرحله دوم، آب پروتون‌ها را به یون‌های اکسیژن سطحی می‌رساند و یون‌های هیدروکسید (OH) تولید می‌کند.^–) که در محلول های بسیار قلیایی غلظت بالایی دارند.

با این حال، سرعت در pH 0 حدود چهار برابر سریع‌تر از سرعت pH 14 است، تا حدی به این دلیل که هیدرونیوم پروتون‌ها را با سرعتی سریع‌تر از آب اهدا می‌کند.

واکنش تجدید نظر

محققان همچنین در کمال تعجب دریافتند که این دو واکنش نه در pH خنثی 7، که غلظت هیدرونیوم و هیدروکسید برابر است، بلکه در pH 10، که غلظت یون‌های هیدروکسید 1 میلیون برابر بیشتر از آن است، دارای سرعت مساوی هستند. هیدرونیوم این مدل نشان می‌دهد که این به این دلیل است که واکنش رو به جلو شامل اهدای پروتون از هیدرونیوم یا آب نسبت به واکنش معکوس که شامل حذف پروتون‌ها از آب یا هیدروکسید است، به سرعت کلی کمک می‌کند.

به گفته محققان، مدل‌های موجود در مورد چگونگی وقوع این واکنش‌ها در سطوح الکترود، فرض می‌کنند که واکنش‌های رو به جلو و معکوس به طور مساوی در سرعت کلی نقش دارند، بنابراین یافته‌های جدید نشان می‌دهد که این مدل‌ها ممکن است نیاز به بازنگری داشته باشند.

Surendranath می‌گوید: «این فرض پیش‌فرض است که واکنش‌های رو به جلو و معکوس به طور مساوی در سرعت واکنش نقش دارند. یافته‌های ما واقعاً چشم‌نواز است، زیرا به این معنی است که این فرضیه که مردم برای تجزیه و تحلیل همه چیز از کاتالیز پیل سوختی تا تکامل هیدروژن استفاده می‌کنند، ممکن است چیزی باشد که باید در مورد آن تجدید نظر کنیم.»

محققان اکنون از تنظیمات آزمایشی خود برای بررسی این موضوع استفاده می کنند که چگونه افزودن انواع مختلف یون به محلول الکترولیت اطراف الکترود می تواند سرعت جریان الکترون جفت شده با پروتون را تسریع یا کاهش دهد.

لوئیس می‌گوید: «با سیستم خود، می‌دانیم که سایت‌های ما ثابت هستند و روی یکدیگر تأثیر نمی‌گذارند، بنابراین می‌توانیم بخوانیم که این تغییر با راه‌حل پاسخ سطحی چه می‌کند».

این تحقیق توسط دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی شد.