Ang isang tagumpay sa pagsasaliksik ng kemikal ay maaaring magbago ng malinis na teknolohiya ng enerhiya

Ayon sa ilang mga pagtatantya, ang dami ng enerhiya ng araw na umabot sa ibabaw ng Daigdig sa isang taon ay mas malaki kaysa sa kabuuan ng lahat ng enerhiya na maaari nating likhain mula sa mga hindi nababagong mapagkukunan. Ang teknolohiyang kinakailangan upang gawing elektrisidad ang solar radiation ay mabilis na binuo, ngunit ang mga kahusayan sa pag-iimbak at pamamahagi ng enerhiya na ito ay nanatiling isang pangunahing problema, na ginagawang hindi praktikal ang solar energy sa isang malaking sukat.

Ang isang tagumpay ng mga siyentipiko mula sa UVA College at Grgraduate School of Arts & Science, California Institute of Technology at US Department of Energy na Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory at Brookhaven National Laboratory ay maaaring alisin ang isang kritikal na balakid sa proseso, at isang pagtuklas na kumakatawan sa isang malaking hakbang patungo sa sa hinaharap ng malinis na enerhiya.

Ang isang paraan upang magamit ang solar energy ay ang paggamit ng solar na kuryente upang hatiin ang mga molekula ng tubig sa oxygen at hydrogen. Ang hydrogen na ginawa ng prosesong ito ay nakaimbak bilang gasolina sa isang form na maaaring ilipat mula sa isang lugar patungo sa isa pa at ginagamit upang makabuo ng enerhiya kung kinakailangan. Ang isang katalista ay kinakailangan upang paghiwalayin ang mga molekula ng tubig sa kanilang mga indibidwal na bahagi, ngunit ang mga materyales na catalytic na kasalukuyang ginagamit sa proseso, na kilala rin bilang mga reaksyon ng ebolusyon ng oxygen, ay hindi sapat na mahusay upang gawing praktikal ang proseso.

Gayunpaman, gamit ang isang makabagong diskarte sa kemikal na binuo sa UVA, isang pangkat ng mga siyentista na pinangunahan ng mga propesor ng kimika na sina Sen Zhang at T. Brent Gunnoe ay lumikha ng isang bagong anyo ng catalyst na gumagamit ng mga elemento ng kobalt at titanium. Ang bentahe ng mga elementong ito ay ang mga ito ay higit na masagana sa likas na katangian kaysa sa ibang karaniwang ginagamit na mga materyales na catalytic na naglalaman ng mga mahalagang riles, tulad ng iridium o ruthenium.

Sen Zhang, T. Brent Gunnoe at Chang Liu

Ang Senior Chemistry Assistant na si Sen Zhang (kaliwa) at ang Commonwealth Chemistry na Propesor na si T. Brent Gunnoe (gitna) ay namumuno sa isang proyekto sa pagsasaliksik na nagpapalawak ng pangunahing kaalaman sa bagong solar na teknolohiya. Si Chang Liu (kanan), isang mag-aaral na nagtapos sa ika-apat na taon sa Zhang Lab, ay ang unang may-akda ng kanilang artikulo na nai-publish sa Nature Catalysis. Kredito: Unibersidad ng Virginia

“Ang bagong proseso ay nagsasangkot ng paglikha ng mga aktibong catalytic site sa antas ng atomic sa ibabaw ng titanium dioxide nanocrystals, isang pamamaraan na gumagawa ng isang matibay na materyal na catalytic na mas mahusay na nagpapalitaw ng reaksyon sa ebolusyon ng oxygen.” Sinabi ni Zhang. “Ang mga bagong diskarte sa mahusay na mga catalista para sa reaksyon ng ebolusyon ng oxygen at isang mas mahusay na pangunahing pag-unawa sa mga ito ay susi sa pagpapagana ng isang posibleng paglipat sa laganap na paggamit ng nababagong solar na enerhiya. Ang gawaing ito ay isang perpektong halimbawa ng kung paano i-optimize ang kahusayan ng isang katalista para sa malinis na teknolohiya ng enerhiya sa pamamagitan ng pag-tune ng mga nanomaterial sa isang sukatang atomiko. “

Ayon kay Gunnoe, “Ang pagbabago na ito, na nakatuon sa mga nakamit ni Zhang, ay kumakatawan sa isang bagong pamamaraan para sa pagpapabuti at pag-unawa sa mga materyal na catalytic, na nagreresulta sa pagsasama ng advanced material synthesis, antas ng atomic characterization, at quantum mechanics theory.”

“Ilang taon na ang nakalilipas, sumali ang UVA sa MAXNET Energy consortium ng walong Max Planck Institutes (Germany), UVA at Cardiff University (UK), na sumali sa internasyonal na pagsisikap para sa electrocatalytic water oxidation. Ang MAXNET Energy ay naging binhi ng kasalukuyang pinagsamang pagsisikap ng aking pangkat at ng Zhang Laboratory, na naging at patuloy na isang mabunga at produktibong pakikipagtulungan, “sabi ni Gunnoe.

Sa tulong ng Argonne National Laboratory at ng Lawrence Berkeley National Laboratory at ang kanilang state-of-the-art synchrotron X-ray na kagamitan na pagsipsip ng spectroscopy, na gumagamit ng radiation upang suriin ang istraktura ng bagay sa antas ng atomic, natagpuan ng pangkat ng pagsasaliksik na ang catalyst ay may isang mahusay na natukoy na istraktura ng ibabaw na nagpapahintulot sa kanila na makita nang malinaw kung paano samantala, ang catalyst ay nagkakaroon ng reaksyon sa ebolusyon ng oxygen, at pinapayagan silang tumpak na suriin ang pagganap nito.

“Gumamit ang gawa ng X-ray mula sa isang advanced na mapagkukunan ng photon at isang advanced na mapagkukunan ng ilaw, kasama ang bahagi ng isang” mabilis na pag-access “na programa na nakatuon sa isang mabilis na loop ng feedback upang galugarin ang umuusbong o kagyat na mga siyentipikong ideya,” sinabi ng pisongista ng Argonne X-ray na si Hua Zhou, kapwa may-akda ng artikulo. “Kami ay lubos na nasiyahan na ang parehong pambansang pang-agham na kagamitan ng gumagamit ay maaaring magbigay ng isang makabuluhang kontribusyon sa naturang matalino at matikas na gawaing paghahati-hati ng tubig na magbibigay ng isang lakad para sa malinis na mga teknolohiya ng enerhiya.”

Parehong Advanced Photon Source at ang Advanced Light Source ay mga pasilidad ng gumagamit ng Kagawaran ng Enerhiya (DOE) ng US na matatagpuan sa Argonne DOE National Laboratory at Lawrence Berkeley National Laboratory.

Bilang karagdagan, tumpak na nahulaan ng mga mananaliksik ng Caltech ang rate ng produksyon ng oxygen na dulot ng katalista gamit ang bagong binuo na mga pamamaraan ng mga mekanika ng kabuuan, na nagbibigay sa koponan ng isang detalyadong pag-unawa sa mekanismo ng kemikal ng reaksyon.

“Bumubuo kami ng mga bagong diskarte ng mga mekanika ng kabuuan upang maunawaan ang mekanismo ng reaksyon sa ebolusyon ng oxygen nang higit sa limang taon, ngunit sa lahat ng mga nakaraang pag-aaral hindi namin natitiyak ang eksaktong istraktura ng catalyst.” Ang katalista ni Zhang ay may isang mahusay na tinukoy na istraktura ng atomic, at nalaman namin na ang aming mga teoretikal na output ay malawak na sang-ayon sa eksperimentong napapansin na data, “sinabi ni William A. Goddard III, propesor ng kimika, materyal na agham, at inilapat na pisika sa Caltech at isa sa mga punong tagapag-imbestiga. proyekto “Nagbibigay ito ng unang malakas na pagpapatunay na pang-eksperimentong ng aming mga bagong pamamaraan na panteorya, na maaari na naming magamit upang mahulaan ang mas mahusay na mga catalista na maaaring ma-synthesize at masubukan.” Ito ay isang pangunahing milyahe patungo sa pandaigdigang malinis na enerhiya. “

“Ang gawaing ito ay isang mahusay na halimbawa ng pagtutulungan ng UVA at iba pang mga siyentista na nagtatrabaho sa malinis na enerhiya at ang mga kapanapanabik na tuklas na nagmula sa mga interdisiplinaryong pakikipagtulungan,” sabi ni Jill Venton, pangulo ng UVA Chemistry Department.

Ang isang artikulo ni Zhang, Gunnoe, Zhou at Goddard ay nai-publish noong Disyembre 14, 2020 sa Likas na catalysis. Ang mga kapwa may-akda ng papel ay sina Chang Liu, Ph.D. Ang mag-aaral ng UVA sa pangkat ng Zhang at Jin Qian, Ph.D. ng isang mag-aaral na Caltech sa pangkat na Goddard. Ang iba pang mga may-akda ay kasama si Colton Sheehan, isang mag-aaral sa kolehiyo ng UVA; Zhiyong Zhang, UVA Postdoctoral Fellow; Hyeyoung Shin, isang postdoctoral scientist sa Caltech; Yifan Ye, Yi-Sheng Liu at Jinghua Guo, tatlong siyentipiko mula sa Lawrence Berkeley National Laboratory; Gang Wan at Cheng-Jun Sun, dalawang siyentipiko mula sa Argonne National Laboratory; at Shuang Li at Sooyeon Hwang, dalawang siyentipiko mula sa Brookhaven National Laboratory. Ang kanilang pagsasaliksik ay suportado ng National Science Foundation at ng Kagawaran ng Kagamitan ng Gumagamit ng Enerhiya ng Estados Unidos.

Sanggunian: “Reaksyon ng ebolusyon ng oxygen sa catalytic solong site Co sa mahusay na natukoy na ibabaw ng brookite nanodod TiO2” Chang Liu, Jin Qian, Yifan Ye, Hua Zhou, Cheng-Jun Sun, Colton Sheehan, Zhiyong Zhang, Gang Wan, Yi-Sheng Liu, Jinghua Guo, Shuang Li, Hyeyoung Shin, Sooyeon Hwang, T. Brent Gunnoe, William A. Goddard III at Sen Zhang, 14 Disyembre 2020, Likas na catalysis.
DOI: 10.1038 / s41929-020-00550-5

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang paglulunsad ng NASA Walnops rocket ay makikita sa East America

Mapa ng visibility ng Kinnet-X. Kredito: NASA A. Mission upang tuklasin ang transportasyon sa kalawakan gamit ang enerhiya a NASA Ang rocket na tunog...

Bakit kaya mahirap magamot ang COVID-19? Isang Komprehensibong Pagsuri sa Alam Namin

Lumalagong Mga Punto ng Katibayan ng Hindi Karaniwang Nakakahawang Profile Isang komprehensibong pagsusuri ng alam namin COVID-19 at kung paano ito gumagana ay nagmumungkahi na...

Nakikita ng NASA ang mga alon sa ibabaw ng dagat [Video]

Ang mga alon sa loob, o mga papasok na alon, ay maaaring umabot ng daan-daang mga paa sa ibaba ng ibabaw ng karagatan, ngunit...

Mga Kamangha-manghang Dinosauro na Naghahanap ng Kadiliman

Muling pagbuo ng Shuvuuia deserti artist. Kredito: Viktor Radermaker Ang maliit na dinosauro na nakatira sa disyerto ng Shuvuuia ay may natatanging paningin at...

Ang “Molecular glue” ay nagdaragdag ng kahusayan at ginagawang mas maaasahan ang pereskite solar cells sa paglipas ng panahon

Ginamit ng mga mananaliksik ang self-assemble na solong-layer na "molekular na pandikit" upang patigasin ang mga interface sa pereskite solar cells upang gawing mas...

Newsletter

Subscribe to stay updated.