Изменения, вызванные Сандией, превращают обильного молли в 37 центов за грамм из аутсайдера в полусреднем весе в области энергетических катализаторов — грубо говоря, ленивого бездельника, который никогда не достигал многого, — до возможного соперника в супертяжелом весе. .Усовершенствованный катализатор, который, как ожидается, будет предметом публикации в Nature Communications от 7 октября, уже высвободил в четыре раза больше водорода, чем когда-либо производилось молли из воды.Для научного сотрудника Sandia и ведущего автора Стэна Чоу это только начало: «Мы должны получить гораздо больше результатов, если научимся лучше интегрировать molly, например, с системами топливных элементов», — сказал он.
Дополнительным преимуществом является то, что действие Молли может быть вызвано солнечным светом, что в конечном итоге может предоставить пользователям автономные средства защиты водородного топлива.Водородное топливо желательно, потому что, в отличие от бензина, оно не выделяет углерод в атмосферу при сгорании. При сжигании водорода с кислородом выделяется только вода.
По словам Чжоу, «идея заключалась в том, чтобы понять изменения в молекулярной структуре дисульфида молибдена (MOS?), Чтобы он мог стать лучшим катализатором для производства водорода: по эффективности ближе к платине, но в большом количестве и дешево. Мы сделали это, исследуя структурные превращения МОП? В атомном масштабе, так что все части материалов, которые были «мертвыми», теперь могут работать, чтобы производить H? [Водород] ».Кожура апельсина
Можно спросить, в каком смысле эти части были «мертвыми»?Визуализируйте дольку апельсина, в которой полезна только кожура; остальное — съедобную массу апельсина — нужно выбросить. Молли существует в виде стопки плоских наноструктур, похожих на стопку апельсиновых дольок.
Эти слои не скреплены между собой на молекулярном уровне, как металл, а вместо этого достаточно рыхлые, чтобы скользить друг по другу — своего рода смазка, похожая на структуру графена, и с огромными площадями внутренней поверхности.Но вот в чем загвоздка: хотя края этих наноструктур соответствуют платине по способности катализировать водород, относительная огромная площадь поверхности их скользящих внутренних частей бесполезна, потому что их молекулярное расположение отличается от их краев.
Из-за этого сверхнормативного багажа для коммерческого катализатора потребуется огромное количество молли. Тонкие края работали бы усердно, как Золушка, но внутренности сводной сестры просто болтались, ничего не делая.
Чжоу, который работает с двумерными материалами и их свойствами, думал, что целью должно быть получение работы этих сводных сестер.Расширение возможностей центра«Есть много способов сделать это, — сказал соавтор Брайан Каер, — но самый масштабируемый способ — разделить нанолисты в растворе с использованием лития. формы; конечный продукт, как выясняется, каталитически активен, как и краевая структура ".Чтобы определить, что происходит, и наилучший способ сделать это, команда Sandia использовала компьютерное моделирование, созданное соавтором На Сай из Техасского университета в Остине, которое подсказало, какие молекулярные изменения следует искать.
Команда также наблюдала изменения с помощью самых современных микроскопов в Sandia. включая FEI Titan, просвечивающий электронный микроскоп с коррекцией аберраций, способный рассматривать атомы, которые обычно слишком малы, чтобы их можно было увидеть в большинство телескопов.«Продолжительный период тестирования, который стал возможным благодаря объединенным навыкам нашей группы, позволил наблюдать за реакциями с необходимыми деталями», — сказал Чжоу.Не имея этих инструментов, исследователи из других лабораторий заканчивали свои испытания до того, как реакция могла завершиться сама собой, подобно тому, как повар снимает сахар и воду с плиты перед приготовлением сиропа, что приводит к множеству противоречивых промежуточных результатов.Прекращение путаницы«Почему работа Стэна так впечатляет, так это то, что было так много путаницы в том, как работает этот процесс и какие структуры на самом деле формируются», — сказал Каер. «Он недвусмысленно показал, что эта желаемая каталитическая форма является конечным результатом завершенной реакции».
Сотрудник Sandia и профессор Университета Нью-Мексико Джефф Бринкер, другой автор статьи, сказал: «Людям нужен неплатиновый катализатор. Молли очень дешево и доступно в большом количестве. Сделав эти относительно огромные площади поверхности каталитически активными, Стэн установил понимание структурной взаимосвязи между ними. эти двухмерные материалы, которые определят, как они будут использоваться в долгосрочной перспективе.
Вы должны в основном понимать материал, прежде чем сможете двигаться вперед в изменении промышленного использования ».Каер предупреждает, что то, что было установлено, является фундаментальным доказательством принципа, а не производственным процессом. «Расщепление воды — сложная реакция. Ее можно отравить, остановив молли через некоторое время. Затем вы можете возобновить ее с помощью кислоты.
Есть много тонкостей, которые нужно решить.«Но заставить недорогую молли работать намного более эффективно, это может значительно снизить затраты на производство водорода».«Зеленый» неорганический фотосинтез
Отказ от электричества для ускорения реакции может быть удобным в некоторых обстоятельствах, а также снизить затраты.«Молли-катализатор — это, по сути,« зеленая »технология», — сказал Чжоу. «Мы использовали солнечный свет в качестве движущей силы эксперимента. Свет обрабатывается красителем, который собирает свет. Фотокаталитический процесс сохраняет эту энергию в химических связях освобожденной молекулы водорода.
«Это своего рода фотосинтез, но с использованием неорганических материалов, а не растений», — продолжил Чжоу. «Растения используют ферменты, питаемые солнечным светом, чтобы расщеплять воду на водород и кислород в деликатном процессе. Мы предлагаем здесь аналогичную вещь, но с более быстрой реакцией и с более прочными компонентами».Каер сказал: «Вы можете генерировать водород и использовать его в любое время. Водород не теряет заряд с течением времени и не страдает от неэффективности преобразования, как аккумуляторы в солнечной машине».
Другими авторами статьи были Пинг Лу, Эрик Кокер, Шенг Лю и Тин Лук, все из Sandia Labs, и Катерина Артюшкова из Университета Нью-Мексико.Работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики и через его пользовательские объекты в Центре интегрированных нанотехнологий в Сандиа / Лос-Аламос и Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований.
Техасский вычислительный центр также добавил ценность.