Einigen Schätzungen zufolge ist die Menge an Sonnenenergie, die in einem Jahr die Erdoberfläche erreicht, größer als die Summe aller Energie, die wir jemals mit nicht erneuerbaren Ressourcen produzieren könnten. Die zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität erforderliche Technologie hat sich schnell weiterentwickelt, doch Ineffizienzen bei der Speicherung und Verteilung dieser Energie sind nach wie vor ein erhebliches Problem und machen Solarenergie in großem Maßstab unpraktisch.
Ein Durchbruch von Forschern des UVA College und der Graduate School of Arts & Sciences, des California Institute of Technology und des Argonne National Laboratory, des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums könnte jedoch ein entscheidendes Hindernis aus dem Prozess beseitigen, eine Entdeckung, die einen riesigen Schritt in Richtung einer Zukunft mit sauberer Energie darstellt.
Eine Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen, besteht darin, mithilfe von Solarstrom Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Der dabei erzeugte Wasserstoff wird als Brennstoff in einer Form gespeichert, die von einem Ort zum anderen transportiert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Um Wassermoleküle in ihre Bestandteile aufzuspalten, ist ein Katalysator erforderlich, aber die derzeit in dem Prozess, der auch als Sauerstoffentwicklungsreaktion bezeichnet wird, verwendeten katalytischen Materialien sind nicht effizient genug, um den Prozess praktikabel zu machen.
Mithilfe einer innovativen chemischen Strategie, die am UVA entwickelt wurde, hat ein Forscherteam unter der Leitung der Chemieprofessoren Sen Zhang und T. Brent Gunnoe jedoch eine neue Form von Katalysator unter Verwendung der Elemente Kobalt und Titan hergestellt. Der Vorteil dieser Elemente besteht darin, dass sie in der Natur viel häufiger vorkommen als andere häufig verwendete katalytische Materialien, die Edelmetalle wie Iridium oder Ruthenium enthalten.
„Der neue Prozess beinhaltet die Schaffung aktiver katalytischer Stellen auf atomarer Ebene auf der Oberfläche von Titanoxid-Nanokristallen, eine Technik, die ein haltbares katalytisches Material erzeugt und die Sauerstoffentwicklungsreaktion besser auslöst“, sagte Zhang. „Neue Ansätze für effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysatoren und ein verbessertes grundlegendes Verständnis davon sind der Schlüssel für einen möglichen Übergang zur groß angelegten Nutzung erneuerbarer Solarenergie. Diese Arbeit ist ein perfektes Beispiel dafür, wie die Katalysatoreffizienz für saubere Energietechnologie durch die Abstimmung von Nanomaterialien auf atomarer Ebene optimiert werden kann.“
Laut Gunnoe stellt „diese Innovation, die auf den Errungenschaften des Zhang-Labors basiert, eine neue Methode zur Verbesserung und zum Verständnis katalytischer Materialien dar, mit einem daraus resultierenden Aufwand, der die Integration fortschrittlicher Materialsynthese, Charakterisierung auf atomarer Ebene und Theorie der Quantenmechanik umfasst.“
„Vor einigen Jahren trat UVA dem MAXNET Energy-Konsortium bei, das aus acht Max-Planck-Instituten (Deutschland), UVA und der Universität Cardiff (Großbritannien) besteht und internationale Kooperationen mit Schwerpunkt auf der elektrokatalytischen Wasseroxidation bündelte. MAXNET Energy war der Keim für die aktuellen gemeinsamen Bemühungen zwischen meiner Gruppe und dem Zhang-Labor, die eine fruchtbare und produktive Zusammenarbeit waren und bleiben“, sagte Gunnoe.
Mit Hilfe des Argonne National Laboratory und des Lawrence Berkeley National Laboratory und ihrer hochmodernen Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie-Benutzereinrichtungen, die Strahlung zur Untersuchung der Struktur der Materie auf atomarer Ebene nutzen, fand das Forschungsteam heraus, dass der Katalysator eine genau definierte Oberflächenstruktur aufweist, die es ihnen ermöglicht, klar zu sehen, wie sich der Katalysator während der Sauerstoffentwicklungsreaktion entwickelt, und ihre Leistung genau zu bewerten.
„Die Arbeit verwendete Röntgenstrahllinien der Advanced Photon Source und der Advanced Light Source, einschließlich eines Teils eines ‚Rapid-Access‘-Programms, das für eine schnelle Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, um aufkommende oder dringende wissenschaftliche Ideen zu untersuchen“, sagte Hua Zhou, Röntgenphysiker aus Argonne und Mitautor des Artikels. „Wir freuen uns sehr, dass beide nationalen wissenschaftlichen Nutzereinrichtungen einen wesentlichen Beitrag zu solch cleveren und sauberen Arbeiten zur Wasserspaltung leisten können, die einen Sprung nach vorne für saubere Energietechnologien bedeuten werden.“
Sowohl die Advanced Photon Source als auch die Advanced Light Source sind Benutzereinrichtungen des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE), die sich im Argonne National Laboratory bzw. im Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE befinden.
Darüber hinaus konnten Forscher am Caltech mithilfe neu entwickelter quantenmechanischer Methoden die Geschwindigkeit der durch den Katalysator verursachten Sauerstoffproduktion genau vorhersagen, was dem Team ein detailliertes Verständnis des chemischen Mechanismus der Reaktion verschaffte.
„Wir entwickeln seit mehr als fünf Jahren neue quantenmechanische Techniken, um den Reaktionsmechanismus der Sauerstoffentwicklung zu verstehen, aber in allen früheren Studien konnten wir uns der genauen Katalysatorstruktur nicht sicher sein. Zhangs Katalysator hat eine genau definierte Atomstruktur und wir stellen fest, dass unsere theoretischen Ergebnisse im Wesentlichen genau mit experimentellen Observablen übereinstimmen“, sagte William A. Goddard III, Professor für Chemie, Materialwissenschaften und angewandte Physik am Caltech und einer der Hauptforscher des Projekts. „Dies ist die erste starke experimentelle Validierung unserer neuen theoretischen Methoden, mit deren Hilfe wir nun noch bessere Katalysatoren vorhersagen können, die synthetisiert und getestet werden können. Dies ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu globaler sauberer Energie.“
„Diese Arbeit ist ein großartiges Beispiel für die Teamarbeit von UVA und anderen Forschern, die auf saubere Energie hinarbeiten, und für die aufregenden Entdeckungen, die aus dieser interdisziplinären Zusammenarbeit hervorgehen“, sagte Jill Venton, Vorsitzende der Abteilung für Chemie der UVA.
Der Artikel von Zhang, Gunnoe, Zhou und Goddard wurde am 14. Dezember 2020 in veröffentlichtNaturkatalyse. Die Co-Autoren des Papiers sind Chang Liu, ein UVA-Doktorand. Student in der Zhang-Gruppe und Jin Qian, ein Caltech-Doktorand. Student in der Goddard-Gruppe. Weitere Autoren sind Colton Sheehan, ein UVA-Student; Zhiyong Zhang, ein UVA-Postdoktorand; Hyeyoung Shin, Postdoktorand am Caltech; Yifan Ye, Yi-Sheng Liu und Jinghua Guo, drei Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory; Gang Wan und Cheng-Jun Sun, zwei Forscher am Argonne National Laboratory; und Shuang Li und Sooyeon Hwang, zwei Forscher am Brookhaven National Laboratory. Ihre Forschung wurde von der National Science Foundation und vom US-Energieministerium finanzierten Nutzereinrichtungen unterstützt.
Referenz: „Sauerstoffentwicklungsreaktion über katalytischem Single-Site-Co in einer wohldefinierten Brookit-TiO2-Nanostaboberfläche“ von 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 und Sen Zhang, 14. Dezember 2020,Naturkatalyse.
DOI: 10.1038/s41929-020-00550-5
Verpassen Sie keinen Durchbruch:
Folgen Sie uns weiterUndGoogle News.
Einigen Schätzungen zufolge ist die Menge an Sonnenenergie, die in einem Jahr die Erdoberfläche erreicht, größer als die Summe aller Energie, die wir jemals mit nicht erneuerbaren Ressourcen produzieren könnten. Die zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität erforderliche Technologie hat sich schnell weiterentwickelt, doch Ineffizienzen bei der Speicherung und Verteilung dieser Energie sind nach wie vor ein erhebliches Problem und machen Solarenergie in großem Maßstab unpraktisch.
Ein Durchbruch von Forschern des UVA College und der Graduate School of Arts & Sciences, des California Institute of Technology und des Argonne National Laboratory, des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums könnte jedoch ein entscheidendes Hindernis aus dem Prozess beseitigen, eine Entdeckung, die einen riesigen Schritt in Richtung einer Zukunft mit sauberer Energie darstellt.
Eine Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen, besteht darin, mithilfe von Solarstrom Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Der dabei erzeugte Wasserstoff wird als Brennstoff in einer Form gespeichert, die von einem Ort zum anderen transportiert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Um Wassermoleküle in ihre Bestandteile aufzuspalten, ist ein Katalysator erforderlich, aber die derzeit in dem Prozess, der auch als Sauerstoffentwicklungsreaktion bezeichnet wird, verwendeten katalytischen Materialien sind nicht effizient genug, um den Prozess praktikabel zu machen.
Mithilfe einer innovativen chemischen Strategie, die am UVA entwickelt wurde, hat ein Forscherteam unter der Leitung der Chemieprofessoren Sen Zhang und T. Brent Gunnoe jedoch eine neue Form von Katalysator unter Verwendung der Elemente Kobalt und Titan hergestellt. Der Vorteil dieser Elemente besteht darin, dass sie in der Natur viel häufiger vorkommen als andere häufig verwendete katalytische Materialien, die Edelmetalle wie Iridium oder Ruthenium enthalten.
„Der neue Prozess beinhaltet die Schaffung aktiver katalytischer Stellen auf atomarer Ebene auf der Oberfläche von Titanoxid-Nanokristallen, eine Technik, die ein haltbares katalytisches Material erzeugt und die Sauerstoffentwicklungsreaktion besser auslöst“, sagte Zhang. „Neue Ansätze für effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysatoren und ein verbessertes grundlegendes Verständnis davon sind der Schlüssel für einen möglichen Übergang zur groß angelegten Nutzung erneuerbarer Solarenergie. Diese Arbeit ist ein perfektes Beispiel dafür, wie die Katalysatoreffizienz für saubere Energietechnologie durch die Abstimmung von Nanomaterialien auf atomarer Ebene optimiert werden kann.“
Laut Gunnoe stellt „diese Innovation, die auf den Errungenschaften des Zhang-Labors basiert, eine neue Methode zur Verbesserung und zum Verständnis katalytischer Materialien dar, mit einem daraus resultierenden Aufwand, der die Integration fortschrittlicher Materialsynthese, Charakterisierung auf atomarer Ebene und Theorie der Quantenmechanik umfasst.“
„Vor einigen Jahren trat UVA dem MAXNET Energy-Konsortium bei, das aus acht Max-Planck-Instituten (Deutschland), UVA und der Universität Cardiff (Großbritannien) besteht und internationale Kooperationen mit Schwerpunkt auf der elektrokatalytischen Wasseroxidation bündelte. MAXNET Energy war der Keim für die aktuellen gemeinsamen Bemühungen zwischen meiner Gruppe und dem Zhang-Labor, die eine fruchtbare und produktive Zusammenarbeit waren und bleiben“, sagte Gunnoe.
Mit Hilfe des Argonne National Laboratory und des Lawrence Berkeley National Laboratory und ihrer hochmodernen Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie-Benutzereinrichtungen, die Strahlung zur Untersuchung der Struktur der Materie auf atomarer Ebene nutzen, fand das Forschungsteam heraus, dass der Katalysator eine genau definierte Oberflächenstruktur aufweist, die es ihnen ermöglicht, klar zu sehen, wie sich der Katalysator während der Sauerstoffentwicklungsreaktion entwickelt, und ihre Leistung genau zu bewerten.
„Die Arbeit verwendete Röntgenstrahllinien der Advanced Photon Source und der Advanced Light Source, einschließlich eines Teils eines ‚Rapid-Access‘-Programms, das für eine schnelle Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, um aufkommende oder dringende wissenschaftliche Ideen zu untersuchen“, sagte Hua Zhou, Röntgenphysiker aus Argonne und Mitautor des Artikels. „Wir freuen uns sehr, dass beide nationalen wissenschaftlichen Nutzereinrichtungen einen wesentlichen Beitrag zu solch cleveren und sauberen Arbeiten zur Wasserspaltung leisten können, die einen Sprung nach vorne für saubere Energietechnologien bedeuten werden.“
Sowohl die Advanced Photon Source als auch die Advanced Light Source sind Benutzereinrichtungen des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE), die sich im Argonne National Laboratory bzw. im Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE befinden.
Darüber hinaus konnten Forscher am Caltech mithilfe neu entwickelter quantenmechanischer Methoden die Geschwindigkeit der durch den Katalysator verursachten Sauerstoffproduktion genau vorhersagen, was dem Team ein detailliertes Verständnis des chemischen Mechanismus der Reaktion verschaffte.
„Wir entwickeln seit mehr als fünf Jahren neue quantenmechanische Techniken, um den Reaktionsmechanismus der Sauerstoffentwicklung zu verstehen, aber in allen früheren Studien konnten wir uns der genauen Katalysatorstruktur nicht sicher sein. Zhangs Katalysator hat eine genau definierte Atomstruktur und wir stellen fest, dass unsere theoretischen Ergebnisse im Wesentlichen genau mit experimentellen Observablen übereinstimmen“, sagte William A. Goddard III, Professor für Chemie, Materialwissenschaften und angewandte Physik am Caltech und einer der Hauptforscher des Projekts. „Dies ist die erste starke experimentelle Validierung unserer neuen theoretischen Methoden, mit deren Hilfe wir nun noch bessere Katalysatoren vorhersagen können, die synthetisiert und getestet werden können. Dies ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu globaler sauberer Energie.“
„Diese Arbeit ist ein großartiges Beispiel für die Teamarbeit von UVA und anderen Forschern, die auf saubere Energie hinarbeiten, und für die aufregenden Entdeckungen, die aus dieser interdisziplinären Zusammenarbeit hervorgehen“, sagte Jill Venton, Vorsitzende der Abteilung für Chemie der UVA.
Der Artikel von Zhang, Gunnoe, Zhou und Goddard wurde am 14. Dezember 2020 in veröffentlichtNaturkatalyse. Die Co-Autoren des Papiers sind Chang Liu, ein UVA-Doktorand. Student in der Zhang-Gruppe und Jin Qian, ein Caltech-Doktorand. Student in der Goddard-Gruppe. Weitere Autoren sind Colton Sheehan, ein UVA-Student; Zhiyong Zhang, ein UVA-Postdoktorand; Hyeyoung Shin, Postdoktorand am Caltech; Yifan Ye, Yi-Sheng Liu und Jinghua Guo, drei Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory; Gang Wan und Cheng-Jun Sun, zwei Forscher am Argonne National Laboratory; und Shuang Li und Sooyeon Hwang, zwei Forscher am Brookhaven National Laboratory. Ihre Forschung wurde von der National Science Foundation und vom US-Energieministerium finanzierten Nutzereinrichtungen unterstützt.
Referenz: „Sauerstoffentwicklungsreaktion über katalytischem Single-Site-Co in einer wohldefinierten Brookit-TiO2-Nanostaboberfläche“ von 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 und Sen Zhang, 14. Dezember 2020,Naturkatalyse.
DOI: 10.1038/s41929-020-00550-5
Verpassen Sie keinen Durchbruch:
Folgen Sie uns weiterUndGoogle News.
