Wissenschaftler der Universität von Oregon dissoziieren Wasser effizient mit neuen Katalysatoren
Mit einem neuen Ansatz konnten sie die Wasserdissoziationsreaktion untersuchen und verbessern
Chemiker der Universität von Oregon haben bei der Verbesserung der katalytischen Wasserdissoziationsreaktion in elektrochemischen Reaktoren, so genannten bipolaren Membranelektrolysatoren, erhebliche Fortschritte erzielt, um Wassermoleküle effizienter in positiv geladene Protonen und negativ geladene Hydroxidionen zu zerreißen.
Die Forschung in einem Chemielabor der Universität von Oregon hat die Wirksamkeit der katalytischen Wasserdissoziationsreaktion in bipolaren Membranen verbessert. Ein dreiköpfiges Team verwendete eine Membran-Elektroden-Anordnung, bei der die bipolare Polymermembran zwischen zwei starren, porösen Elektroden komprimiert wird, so dass sie eine große Anzahl von bipolaren Membranen mit verschiedenen Schichten von Wasserdissoziationskatalysatoren herstellen können.
Graphic by Sebastian Z. Oener
Die in Science veröffentlichte Entdeckung liefert einen Fahrplan zur Realisierung elektrochemischer Vorrichtungen, die von der Schlüsseleigenschaft des Betriebs bipolarer Membranen profitieren - die Protonen und Hydroxid-Ionen im Inneren der Vorrichtung zu erzeugen und die Ionen direkt den Elektroden zuzuführen, um die chemischen Endprodukte herzustellen.
Die Technologie hinter den bipolaren Membranen, bei denen es sich um geschichtete Ionenaustauschpolymere handelt, die eine Katalysatorschicht zur Wasserdissoziation zwischen sich einschließen, entstand in den 1950er Jahren. Obwohl sie in kleinem Maßstab industriell eingesetzt werden, ist ihre Leistung derzeit auf den Betrieb bei niedriger Stromdichte beschränkt, was breitere Anwendungen erschwert.
Darunter sind Geräte zur Erzeugung von Wasserstoffgas aus Wasser und Elektrizität, zur Abscheidung von Kohlendioxid aus Meerwasser und zur Herstellung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen direkt aus Kohlendioxid, sagte Co-Autorin Shannon W. Boettcher, Professorin in der Abteilung für Chemie und Biochemie der UO und Gründungsdirektorin des Oregon Center for Electrochemistry,
"Ich vermute, dass unsere Ergebnisse ein Wiederaufleben der Entwicklung von Bipolarmembran-Bauelementen und die Erforschung der Grundlagen der Wasserdissoziationsreaktion beschleunigen werden", sagte Boettcher, der auch Mitglied des Materials Science Institute und Mitarbeiter des Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact der UO ist.
"Die Leistung, die wir demonstriert haben, ist ausreichend hoch", sagte er. "Wenn wir die Haltbarkeit verbessern und die bipolaren Membranen mit unseren Industriepartnern herstellen können, sollte es wichtige unmittelbare Anwendungen geben".
Typischerweise arbeiten wasserbasierte elektrochemische Geräte wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseure bei einem einzigen pH-Wert im gesamten System - d.h. das System ist entweder sauer oder basisch, sagte der Hauptautor der Studie, Sebastian Z. Oener, ein Postdoc-Stipendiat, der durch ein Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Boettchers Laboratorium unterstützt wurde.
"Häufig führt dies entweder dazu, dass teure Edelmetalle wie Iridium, eines der seltensten Metalle der Erde, zur Katalyse von Elektrodenreaktionen verwendet werden, oder dass die Katalysatoraktivität geopfert wird, was wiederum die erforderliche Energiezufuhr des elektrochemischen Reaktors erhöht", sagte Oener. "Eine bipolare Membran kann diesen Zielkonflikt überwinden, indem jeder Elektrokatalysator lokal in seiner idealen pH-Umgebung betrieben wird. Dies erhöht den Atem der stabilen, erdreichen Katalysatorverfügbarkeit für jede Halbreaktion.
Das dreiköpfige Team, zu dem auch der Doktorand Marc J. Foster gehörte, verwendete eine Membran-Elektroden-Anordnung, bei der die bipolare Polymermembran zwischen zwei starren porösen Elektroden zusammengedrückt wird. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, eine große Anzahl von bipolaren Membranen mit verschiedenen Katalysatorschichten zur Wasserdissoziation herzustellen und die Aktivität für jede einzelne genau zu messen.
Das Team fand heraus, dass die genaue Position jeder Katalysatorschicht innerhalb der bipolaren Membranverbindung - der Grenzfläche zwischen einer hydroxidleitenden Schicht und der protonenleitenden Schicht in der bipolaren Membran - die Katalysatoraktivität dramatisch beeinflusst. Dies ermöglichte es ihnen, Katalysator-Doppelschichten zu verwenden, um rekordverdächtige bipolare Membranen zu realisieren, die im Wesentlichen Wasser mit vernachlässigbarem Verlust an zusätzlicher Energie dissoziieren.
"Die grösste Überraschung war die Erkenntnis, dass die Leistung wesentlich verbessert werden kann, wenn verschiedene Arten von Katalysatoren übereinander geschichtet werden", sagte Boettcher. "Das ist einfach, aber noch nicht vollständig erforscht."
Eine zweite wichtige Erkenntnis, so Oener, ist, dass die Wasserdissoziationsreaktion, die innerhalb der bipolaren Membran stattfindet, grundlegend mit der auf Elektrokatalysatoroberflächen auftritt, z.B. wenn Protonen direkt aus Wassermolekülen extrahiert werden, wenn Wasserstoff als Kraftstoff unter basischen pH-Bedingungen hergestellt wird.
"Dies ist einzigartig, weil es bisher nicht möglich war, die einzelnen Schritte, die während einer elektrochemischen Reaktion ablaufen, voneinander zu trennen", sagte Oener. "Sie sind alle miteinander verbunden, wobei Elektronen und Zwischenprodukte beteiligt sind und schnell in Serie ablaufen. Die bipolare Membranarchitektur erlaubt es uns, den chemischen Schritt der Wasserdissoziation zu isolieren und isoliert zu untersuchen.
Diese Entdeckung könnte auch zu verbesserten Elektrokatalysatoren für Reaktionen führen, die direkt reduzierte Brennstoffe aus Wasser herstellen, wie z.B. die Herstellung von Wasserstoffgas oder flüssigem Brennstoff aus Kohlendioxidabfällen.
Die Entdeckungen, so Boettcher, liefern ein vorläufiges mechanistisches Modell, eines, das das Feld erschließen und viele weitere Studien motivieren könnte.
"Wir sind gespannt auf die Reaktion der Forschungsgemeinschaft und sehen, ob diese Ergebnisse in Produkte umgesetzt werden können, die die Abhängigkeit der Gesellschaft von fossilen Brennstoffen verringern", sagte er.
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