Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã phát triển một chất xúc tác hiệu quả cao để chiết xuất năng lượng điện từ ethanol, một loại nhiên liệu lỏng dễ lưu trữ có thể được tạo ra từ các nguồn tài nguyên tái tạo.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Đại học Arkansas đã phát triển một chất xúc tác hiệu quả cao để chiết xuất năng lượng điện từ ethanol, một loại nhiên liệu lỏng dễ lưu trữ có thể được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo. Chất xúc tác, được mô tả trong Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ , điều khiển quá trình oxy hóa điện của ethanol xuống một con đường hóa học lý tưởng giải phóng toàn bộ tiềm năng năng lượng của nhiên liệu lỏng.
“Chất xúc tác này là một công cụ thay đổi trò chơi sẽ cho phép sử dụng pin nhiên liệu ethanol như một nguồn năng lượng điện mật độ năng lượng cao đầy hứa hẹn”, Jia Wang, nhà hóa học của Brookhaven Lab, người đứng đầu công trình cho biết. Một ứng dụng đặc biệt hứa hẹn: máy bay không người lái chạy bằng pin nhiên liệu lỏng.
“Pin nhiên liệu Ethanol rất nhẹ so với pin. Chúng sẽ cung cấp đủ năng lượng cho máy bay không người lái sử dụng nhiên liệu lỏng dễ nạp lại giữa các chuyến bay – ngay cả ở những địa điểm xa xôi”, Wang lưu ý.
Phần lớn năng lực tiềm tàng của ethanol bị khóa trong các liên kết carbon-carbon tạo thành xương sống của phân tử. Chất xúc tác được phát triển bởi nhóm của Wang tiết lộ rằng việc phá vỡ các liên kết đó vào đúng thời điểm là chìa khóa để mở khóa năng lượng dự trữ đó.
“Quá trình oxy hóa điện của ethanol có thể tạo ra 12 electron mỗi phân tử”, Wang nói. “Nhưng phản ứng có thể tiến triển bằng cách đi theo nhiều con đường khác nhau.”
Hầu hết các con đường này dẫn đến quá trình oxy hóa không hoàn toàn: Các chất xúc tác để lại các liên kết carbon-carbon nguyên vẹn, giải phóng ít electron hơn. Họ cũng loại bỏ các nguyên tử hydro sớm trong quá trình, cho thấy các nguyên tử carbon hình thành carbon monoxide, “chất độc” khả năng của chất xúc tác hoạt động theo thời gian.
“Quá trình oxy hóa hoàn toàn 12 electron của ethanol đòi hỏi phải phá vỡ liên kết carbon-carbon khi bắt đầu quá trình, trong khi các nguyên tử hydro vẫn được gắn vào, bởi vì hydro bảo vệ carbon và ngăn chặn sự hình thành carbon monoxide”, Wang nói. Sau đó, nhiều bước khử hydro và oxy hóa là cần thiết để hoàn thành quá trình.
Chất xúc tác mới – kết hợp các yếu tố phản ứng trong cấu trúc vỏ lõi độc đáo mà các nhà khoa học Brookhaven đã khám phá cho một loạt các phản ứng xúc tác – tăng tốc tất cả các bước này.
Để tạo ra chất xúc tác, Jingyi Chen thuộc Đại học Arkansas, một nhà khoa học đến thăm tại Brookhaven trong một phần của dự án này, đã phát triển một phương pháp tổng hợp để đồng platinum và iridium trên các hạt nano vàng. Các bạch kim và iridium tạo thành “các đảo đơn sắc” trên bề mặt của các hạt nano vàng. Sự sắp xếp đó, Chen lưu ý, là chìa khóa chiếm hiệu suất vượt trội của chất xúc tác.
“Các lõi hạt nano vàng tạo ra sức căng ở các đảo monoatomic platinum-iridium, làm tăng khả năng của các nguyên tố đó để tách các liên kết carbon-carbon, và sau đó loại bỏ các nguyên tử hydro của nó,” cô nói.
Zhixiu Liang, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Stony Brook và là tác giả đầu tiên của bài báo, đã thực hiện các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Wang để hiểu làm thế nào chất xúc tác đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao kỷ lục. Ông đã sử dụng “quang phổ hấp thụ phản xạ hồng ngoại tại chỗ” để xác định các sản phẩm và chất trung gian phản ứng, so sánh các chất được tạo ra bởi chất xúc tác mới với các phản ứng sử dụng chất xúc tác lõi vàng / bạch kim và cũng là chất xúc tác hợp kim platinum-iridium.
“Bằng cách đo phổ được tạo ra khi ánh sáng hồng ngoại được hấp thụ ở các bước khác nhau trong phản ứng, phương pháp này cho phép chúng tôi theo dõi, ở mỗi bước, loài nào đã được hình thành và bao nhiêu của mỗi sản phẩm”, Liang nói. “Quang phổ tiết lộ rằng chất xúc tác mới điều khiển ethanol hướng tới con đường oxy hóa hoàn toàn 12 electron, giải phóng toàn bộ tiềm năng của năng lượng dự trữ năng lượng.”
Bước tiếp theo, Wang lưu ý, là thiết kế các thiết bị kết hợp với chất xúc tác mới.
Các chi tiết cơ học được tiết lộ bởi nghiên cứu này cũng có thể giúp hướng dẫn thiết kế hợp lý các chất xúc tác đa thành phần trong tương lai cho các ứng dụng khác.
Ngoài các chi tiết được mô tả ở đây, các nhà khoa học đã sử dụng chùm tia Quang phổ Vỏ trong (ISS) tại Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II) – Văn phòng Người dùng Khoa học DOE – để mô tả số lượng tương đối của từng yếu tố trong các mẫu xúc tác. Các đồng tác giả bổ sung của bài báo là: Liang Song và Radoslav R. Adzic thuộc Phòng Hóa học của Phòng thí nghiệm Brookhaven, Shi Khánh Đặng và Yimei Zhu thuộc Phòng Khoa học Vật lý và Vật liệu Ngưng tụ của Phòng thí nghiệm, và Eli Stavitski của NSLS-II.
Công trình này được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Quỹ Khoa học Quốc gia.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :