Mempercepat peningkatan produksi bahan bakar hidrogen dengan bahan nano baru

Ilustrasi substrat boron nitrida 2D dengan ketidaksempurnaan yang menampung kelompok nikel kecil. Katalis membantu reaksi kimia dengan menghilangkan hidrogen dari bahan kimia cair kendaraan, membuatnya tersedia untuk digunakan sebagai bahan bakar. Kredit: Jeff Urban / Berkeley Lab

Nanomaterial baru membantu memperoleh hidrogen dari pembawa energi cair, dalam langkah penting menuju sumber bahan bakar yang stabil dan bersih.

Hidrogen adalah sumber energi bersih berkelanjutan yang menghindari emisi beracun dan dapat memberi nilai tambah pada berbagai sektor ekonomi, termasuk transportasi, pembangkit listrik, fabrikasi logam, dan lain-lain. Teknologi untuk menyimpan dan mengangkut hidrogen menjembatani kesenjangan antara produksi energi berkelanjutan dan penggunaan bahan bakar dan oleh karena itu merupakan komponen penting dari ekonomi hidrogen yang layak.

Tetapi alat penyimpanan dan transportasi tradisional mahal dan rentan terhadap polusi. Hasilnya, peneliti mencari teknik alternatif yang dapat diandalkan, berbiaya rendah, dan sederhana. Sistem tenaga hidrogen yang lebih efisien akan menguntungkan banyak aplikasi seperti energi tetap, industri kendaraan portabel dan bergerak.

Sekarang, seperti diberitakan di majalah Prosiding National Academy of Sciences, para peneliti telah merancang dan mensintesis bahan yang efektif untuk mempercepat salah satu langkah pembatas dalam ekstraksi hidrogen dari alkohol. Bahan, katalis, terbuat dari kelompok logam nikel kecil yang ditambatkan ke substrat 2D.

Tim yang dipimpin oleh para peneliti di Lawrence Berkeley National Laboratory Molecular Foundry (Berkeley Laboratory) menemukan bahwa katalis dapat dengan bersih dan efisien mempercepat reaksi yang menghilangkan atom hidrogen dari pembawa bahan kimia cair. Bahannya kuat dan terbuat dari logam yang melimpah di bumi daripada pilihan yang ada yang terbuat dari logam mulia, dan akan membantu mengubah hidrogen menjadi sumber energi yang layak untuk berbagai aplikasi.

“Kami hadir di sini tidak hanya katalis dengan aktivitas yang lebih tinggi daripada katalis nikel lain yang telah kami uji, untuk bahan bakar energi terbarukan yang utama, tetapi juga strategi yang lebih luas menuju penggunaan logam yang terjangkau dalam berbagai reaksi, “kata Jeff Urban, Anorganic Nanostructures. Direktur fasilitas Molecular Foundry yang mengarahkan pekerjaan.

Penelitian ini merupakan bagian dari Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), sebuah konsorsium yang didanai oleh Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan dari Kantor Teknologi Hidrogen dan Sel Bahan Bakar (EERE) dari Departemen Energi A.S. Melalui upaya ini, lima laboratorium nasional bekerja untuk mencapai tujuan mengatasi kesenjangan ilmiah yang menghalangi kemajuan bahan penyimpanan hidrogen padat. Hasil pekerjaan ini akan diumpankan langsung ke EERE [email protected] visi produksi, penyimpanan, distribusi, dan penggunaan hidrogen dengan harga terjangkau di berbagai sektor ekonomi.

Substrat boron nitrida 2D

Ilustrasi substrat boron nitrida 2D dengan ketidaksempurnaan yang mengakomodasi sekelompok kecil nikel. Katalis membantu reaksi kimia dengan menghilangkan hidrogen dari bahan kimia cair kendaraan, membuatnya tersedia untuk digunakan sebagai bahan bakar. Kredit: Jeff Urban / Berkeley Lab

Senyawa kimia yang bertindak sebagai katalis seperti yang dikembangkan oleh Urban dan timnya biasanya digunakan untuk meningkatkan laju reaksi kimia tanpa menggunakan senyawa itu sendiri; mereka dapat mempertahankan molekul tertentu dalam posisi stabil atau berfungsi sebagai perantara untuk menyelesaikan langkah penting secara andal. Untuk reaksi kimia yang menghasilkan hidrogen dari kendaraan cair, katalis paling efektif dibuat dari logam mulia. Namun, katalis ini dikaitkan dengan biaya tinggi dan kelimpahan rendah serta rentan terhadap polusi. Katalis lain yang lebih murah, terbuat dari logam yang lebih umum, cenderung kurang efektif dan kurang stabil, membatasi aktivitas dan penerapan praktisnya dalam industri produksi hidrogen.

Untuk meningkatkan kinerja dan stabilitas katalis berbasis logam yang melimpah di bumi ini, Urban dan rekan memodifikasi strategi yang berfokus pada kelompok kecil logam nikel yang seragam. Kelompok kecil penting karena mereka memaksimalkan pemaparan permukaan reaktif dalam jumlah material tertentu. Tetapi mereka juga cenderung menggumpal, yang menghambat reaktivitas mereka.

Asisten peneliti pascadoktoral Zhuolei Zhang dan ilmuwan proyek Ji Su, keduanya di Molecular Foundry dan rekan penulis makalah, merancang dan melakukan percobaan yang memerangi aglomerasi dengan menyimpan gugus nikel 1,5 nanometer diameter pada substrat 2D yang terbuat dari boron dan nitrogen yang dirancang untuk menampung kisi-kisi lubang pada skala atom. Gumpalan nikel tersebar merata dan ditambatkan dengan aman ke lubang. Rancangan ini tidak hanya mencegah aglomerasi, tetapi sifat termal dan kimianya sangat meningkatkan kinerja keseluruhan katalis dengan berinteraksi langsung dengan gugus nikel.

“Peran permukaan yang mendasari selama pembentukan cluster dan tahap pengendapan telah ditemukan sangat penting dan dapat memberikan petunjuk untuk memahami perannya dalam proses lain,” kata Urban.

Pengukuran rinci sinar-X dan spektroskopi, dikombinasikan dengan perhitungan teoritis, mengungkapkan banyak hal tentang permukaan yang mendasari dan perannya dalam katalisis. Menggunakan alat sumber cahaya canggih, instalasi pengguna DOE di Lab Berkeley, dan metode pemodelan komputasi, para peneliti mengidentifikasi perubahan sifat fisik dan kimia lembaran 2D, sementara kelompok kecil nikel mereka menempati daerah perawan di laminae dan berinteraksi dengan tepi di dekatnya. , dengan demikian mempertahankan ukuran cluster yang kecil. Kelompok kecil yang stabil memfasilitasi tindakan dalam proses di mana hidrogen memisahkan pembawa cairannya, memberikan katalis selektivitas yang sangat baik, produktivitas dan kinerja yang stabil.

Perhitungan menunjukkan bahwa ukuran katalis adalah alasan mengapa aktivitasnya adalah salah satu yang terbaik dibandingkan dengan yang lain yang telah dilaporkan baru-baru ini. David Prendergast, direktur Teori Instalasi Material Nanostructured Molecular Foundry, bersama dengan asisten peneliti postdoctoral dan rekan penulis Ana Sanz-Matias, menggunakan model dan metode komputasi untuk menemukan struktur geometris dan elektronik unik dari kelompok logam kecil. Atom logam polos, yang melimpah dalam kelompok kecil ini, menarik pembawa cairan lebih mudah daripada partikel logam yang lebih besar. Atom-atom yang terpapar ini juga memfasilitasi langkah-langkah reaksi kimia yang menghilangkan hidrogen dari pembawa, sekaligus mencegah pembentukan kontaminan yang dapat menyumbat permukaan cluster. Oleh karena itu, bahan tetap bebas kontaminasi selama langkah-langkah utama reaksi produksi hidrogen. Sifat katalitik dan anti-kontaminan ini muncul dari ketidaksempurnaan yang sengaja dimasukkan ke dalam lembaran 2D dan pada akhirnya membantu menjaga ukuran cluster tetap kecil.

“Polusi dapat membuat katalis logam non mulia tidak dapat bertahan. Platform kami di sini membuka pintu baru untuk rekayasa sistem ini, ”kata Urban.

Dalam katalisnya, para peneliti mencapai tujuan untuk menciptakan bahan yang relatif murah, mudah didapat, dan stabil yang akan membantu menghilangkan hidrogen dari kendaraan cair untuk digunakan sebagai bahan bakar. Pekerjaan ini muncul dari upaya DOE untuk mengembangkan bahan penyimpanan hidrogen untuk memenuhi tujuan Kantor Teknologi Hidrogen dan Sel Bahan Bakar EERE dan untuk mengoptimalkan bahan untuk penggunaan kendaraan di masa mendatang. .

Pekerjaan masa depan oleh tim Lab Berkeley akan menyempurnakan strategi memodifikasi substrat 2D sehingga mereka mendukung kelompok logam kecil untuk mengembangkan katalis yang lebih efisien. Teknik ini dapat membantu mengoptimalkan proses ekstraksi hidrogen dari kendaraan bahan kimia cair.

Referensi: “Produksi hidrogen yang ditingkatkan dan distabilkan dari metanol oleh nanoclusters Ni ultrasonik yang diimobilisasi di nanofiches h-BN yang rusak” oleh Zhuolei Zhang, Ji Su, Ana Sanz Matias, Madeleine Gordon, Yi-Sheng Liu, Jinghua Guo , Chengyu Song, Chaochao Dun, David Prendergast, Gabor A. Somorjai dan Jeffrey J. Urban, 24 November 2020, Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas. 2015897117

Molecular Foundry dan Advanced Light Source adalah fasilitas pengguna dari DOE Science Office di Berkeley Lab.

Penelitian ini didukung oleh DOE’s Office of Science dan EERE’s Office of Hydrogen and Fuel Cell Technologies.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.