Νέα στρατηγική καταλύτη ανεβάζει την αποδοτικότητα της αντίδρασης από 12% σε 52% χωρίς αλλαγή στον σχεδιασμό του καταλύτη, σύμφωνα με άρθρο του Interesting Engineering
Η ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Seung Jun Hwang του POSTECH και τον καθηγητή Jaeyune Ryu του Seoul National University, διαπίστωσε ότι η προσαρμογή του ηλεκτρικού περιβάλλοντος γύρω από έναν καταλύτη μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοσή του
Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει στη μείωση των ενεργειακών απωλειών σε συστήματα επόμενης γενιάς, βελτιώνοντας παράλληλα την αποδοτικότητα και τη σταθερότητα.
Οι καταλύτες είναι υλικά που επιταχύνουν χημικές αντιδράσεις. Αποτελούν βασικά στοιχεία σε τεχνολογίες όπως οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου και οι μπαταρίες μετάλλου-αέρα, όπου βοηθούν στην ενεργοποίηση των αντιδράσεων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Παραδοσιακά, οι ερευνητές βελτιώνουν τους καταλύτες αλλάζοντας το κεντρικό μέταλλο, όπως σίδηρο, κοβάλτιο ή νικέλιο, ή επανασχεδιάζοντας τη γύρω μοριακή δομή γνωστή ως «λιγάνδη».
Η νέα μελέτη ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση, αφήνοντας τον καταλύτη σχεδόν αμετάβλητο και αντίθετα τροποποιώντας το ηλεκτρικό πεδίο γύρω του.
Ηλεκτρικά πεδία οδηγούν σε άλμα απόδοσης
Οι ερευνητές έδειξαν ότι η τοποθέτηση θετικά φορτισμένων ιόντων, γνωστών ως κατιόντων, κοντά στον καταλύτη δημιουργεί ένα τοπικό ηλεκτρικό πεδίο που επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι αντιδράσεις.
Η ομάδα εστίασε στην αντίδραση αναγωγής οξυγόνου (ORR), μια βασική ηλεκτροχημική διαδικασία που παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε κυψέλες καυσίμου και μπαταρίες μετάλλου-αέρα.
Η βελτίωση αυτής της αντίδρασης αποτελεί εδώ και καιρό στόχο, καθώς επηρεάζει άμεσα την απόδοση των συσκευών και την κατανάλωση ενέργειας.
Τα πειράματα έδειξαν ότι το ποσοστό της επιθυμητής οδού αντίδρασης αυξήθηκε από περίπου 12% σε έως και 52% όταν εισήχθη το ηλεκτρικό πεδίο.
Αυτό επέτρεψε στην αντίδραση να πραγματοποιείται πιο αποδοτικά, απαιτώντας λιγότερη ενέργεια.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση των καταλυτών μπορεί να ρυθμιστεί μέσω ελέγχου του περιβάλλοντος, αντί για επανασχεδιασμό των υλικών από την αρχή.
Μια τέτοια προσέγγιση θα μπορούσε να απλοποιήσει τη μελλοντική ανάπτυξη καταλυτών και να μειώσει το κόστος δημιουργίας νέων υλικών.
Πέρα από μπαταρίες και ενέργεια
Οι επιπτώσεις μπορεί να επεκταθούν πέρα από την αποθήκευση ενέργειας και τις τεχνολογίες υδρογόνου.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ίδια αρχή θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε καταλύτες που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή διοξειδίου του άνθρακα και για την παραγωγή φιλικού προς το περιβάλλον υδρογόνου.
Πολλές τεχνολογίες καθαρής ενέργειας βασίζονται σε καταλύτες για τον έλεγχο πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων.
Η δυνατότητα βελτίωσης αυτών των αντιδράσεων μέσω προσαρμογής των τοπικών ηλεκτρικών συνθηκών θα μπορούσε να προσφέρει ένα νέο εργαλείο για τον σχεδιασμό πιο αποδοτικών συστημάτων.
«Η μελέτη αυτή καταδεικνύει ότι οι ιδιότητες των αντιδράσεων μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια αποκλειστικά μέσω του ηλεκτρικού περιβάλλοντος, χωρίς να αλλάζει η δομή του ίδιου του καταλύτη», δήλωσε ο Hwang.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι τα ευρήματα ανοίγουν μια νέα κατεύθυνση στη μηχανική καταλυτών, μετατοπίζοντας την έμφαση από τη δομή του καταλύτη στο περιβάλλον λειτουργίας του.
Η αντίδραση αναγωγής οξυγόνου που εξετάστηκε στη μελέτη είναι βασική διαδικασία σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, οι οποίες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από υδρογόνο και οξυγόνο, καθώς και σε μπαταρίες μετάλλου-αέρα που χρησιμοποιούν οξυγόνο από την ατμόσφαιρα ως μέρος της αποθήκευσης ενέργειας.
«Αναμένουμε ότι θα προσφέρει μια νέα κατεύθυνση για την ανάπτυξη επόμενης γενιάς μπαταριών, κυψελών καυσίμου και φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών καταλυτών ενέργειας», πρόσθεσε ο Hwang.
Εάν η προσέγγιση μπορέσει να κλιμακωθεί και να εφαρμοστεί σε διαφορετικά συστήματα καταλυτών, θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση ενός ευρέος φάσματος τεχνολογιών καθαρής ενέργειας χωρίς να απαιτείται πλήρως νέος σχεδιασμός υλικών.
( μελέτη δημοσιεύτηκε στο Journal of the American Chemical Society)
www.worldenergynews.gr
