Новая стратегия использования катализатора позволяет повысить эффективность реакции с 12 до 52 процентов без изменения конструкции катализатора.
Исследователи из Южной Кореи разработали новую стратегию проектирования катализаторов, которая повышает эффективность реакций, используемых в батареях и водородных топливных элементах, без изменения самого катализатора.
Группа исследователей под руководством профессора Сын Джун Хвана из POSTECH и профессора Чжэюн Рю из Сеульского национального университета обнаружила, что регулирование электрической среды вокруг катализатора может значительно улучшить его характеристики. Такой подход может помочь снизить потери энергии в энергетических системах следующего поколения, одновременно повышая эффективность и стабильность.
Катализаторы — это материалы, ускоряющие химические реакции. Они являются важными компонентами в таких технологиях, как водородные топливные элементы и металл-воздушные батареи, где они помогают осуществлять реакции, генерирующие электроэнергию.
Традиционно исследователи улучшают катализаторы, изменяя центральный металл, такой как железо, кобальт или никель, или перестраивая окружающую молекулярную структуру, известную как лиганд. Новое исследование идет другим путем, оставляя катализатор практически неизменным и вместо этого изменяя электрическое поле вокруг него.
Электрические поля обеспечивают рост
Исследователи продемонстрировали, что размещение положительно заряженных ионов, известных как катионы, вблизи катализатора создает локализованное электрическое поле, которое влияет на протекание реакций.
Команда сосредоточила внимание на реакции восстановления кислорода (ОРР), ключевом электрохимическом процессе, генерирующем электричество в топливных элементах и металл-воздушных батареях. Улучшение этой реакции давно является целью, поскольку она напрямую влияет на эффективность устройств и энергопотребление.
Эксперименты показали, что доля желаемого пути реакции увеличилась примерно с 12 процентов до 52 процентов при введении электрического поля. Это позволило реакции протекать более эффективно при меньших затратах энергии.
По мнению исследователей, результаты показывают, что эффективность катализатора можно регулировать с помощью контроля окружающей среды, а не путем перепроектирования каталитических материалов с нуля. Такой подход может упростить разработку катализаторов в будущем и снизить затраты, связанные с созданием новых материалов.
Помимо батарей и топлива
Последствия могут выходить за рамки технологий хранения энергии и производства водорода. Исследователи полагают, что тот же принцип может быть применен к катализаторам, используемым для преобразования диоксида углерода и экологически чистого производства водорода.
Многие технологии чистой энергии основаны на использовании катализаторов для управления сложными химическими реакциями. Возможность улучшить эти реакции путем регулирования локальных электрических условий может стать новым инструментом для проектирования более эффективных систем.
«Это исследование демонстрирует, что свойства реакции можно точно контролировать исключительно с помощью окружающей электрической среды, не изменяя структуру самого катализатора», — сказал Хван.
Исследователи утверждают, что полученные результаты открывают новое направление в разработке катализаторов, смещая акцент с структуры катализатора на условия его эксплуатации.
Исследованная в данной работе реакция восстановления кислорода является ключевым процессом в водородных топливных элементах, которые вырабатывают электроэнергию из водорода и кислорода, а также в металл-воздушных батареях, использующих кислород из атмосферы в процессе хранения энергии.
«Мы ожидаем, что это откроет новое направление в разработке батарей следующего поколения, топливных элементов и экологически чистых технологий энергетических катализаторов», — добавил Хван.
Если этот подход можно будет масштабировать и применять к различным каталитическим системам, он может помочь улучшить характеристики широкого спектра экологически чистых энергетических технологий без необходимости использования совершенно новых каталитических материалов.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества.
Sourse: interestingengineering.com
