Självmonteringsvägen som används för självläkande katalysatorer. Kredit:Costentin et al. ©2017 PNAS
(Phys.org) – För närvarande är ett av de mest effektiva sätten att lagra solenergi att överföra energin till katalysatorer som delar upp vatten till väte och syre. Sedan kan vätet antingen användas som bränsle eller senare kombineras med syre för att producera vatten och frigöra elektricitet vid behov.
Dock, ett av problemen med att använda vatten för att lagra solenergi är att katalysatorerna är gjorda av jordnära element (som mangan, kobolt, och nickel) som korroderar i vatten med neutralt pH. För att lösa detta problem, forskare har designat självläkande katalysatorer som kan regenerera sig själva i närvaro av andra element, såsom negativt laddade fosfat- eller boratjoner.
En av de anmärkningsvärda egenskaperna hos de självläkande katalysatorerna är att, så länge de är i drift, det finns ingen gräns för hur många gånger de kan läka sig själva.
Nu i en ny tidning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , två av forskarna som har utvecklat den självläkande katalysatorn, Cyrille Costentin vid Paris Diderot University och Daniel G. Nocera vid Harvard University, har undersökt hur denna process fungerar på en mer detaljerad nivå.
"Detta dokument ger en kvantitativ modell för självläkning, " berättade Nocera Phys.org . "Det sträcker sig faktiskt bortom energi och ger en färdplan för utformningen av vilken självläkande katalysator som helst. Regeluppsättningen är självmontering och katalys. Om energitillförseln för drift av katalysatorn är större än för självmontering, då bör katalysatorn vara självläkande. Så principerna som utvecklas i detta dokument är generella."
Som forskarna visar i sitt arbete, en katalysator kan självläka om självläkningsprocessen kräver mindre energi än vad som behövs för normal katalysatordrift. Ett enkelt sätt att kontrollera självläkningsprocessen är att justera lösningens pH, eftersom mängden energi som krävs för dessa två processer beror på pH.
Forskarna visar att det finns en kritisk pH-zon för självläkning som beror på olika faktorer, i synnerhet geometrin för den vattenuppdelande cellen och fosfat- eller boratbuffertkoncentrationen. Lyckligtvis för praktiska tillämpningar, forskarna visar att självläkning kan ske över ett brett spektrum av pH-värden, inklusive vid ett neutralt pH för typiska cellgeometrier och buffertkoncentrationer, vilket gör att de flesta naturliga vattenkällor kan användas för att lagra solenergi.
Eftersom mycket av den framtida efterfrågan på förnybar energi förväntas komma från låginkomsttagare, U-länder, möjligheten att använda lokala naturliga vattenkällor istället för rent vatten för att lagra solenergi kommer att erbjuda en stor fördel för att implementera tekniken kostnadseffektivt och i stor skala. Forskarna planerar att arbeta mot detta mål i framtiden.
"Nästa steg är prototypframställning, ", sade Nocera. "Vi använder denna katalysator i samband med CO 2 och n 2 fixera bakterier (papper från vår grupp i Vetenskap 2016 och PNAS 2017) för att tillverka flytande bränslen och gödningsmedel, förnybart (med endast luft, vatten, och solljus som ingångar). Dessa prototyper utvecklas för närvarande i Indien vid denna tidpunkt."
© 2017 Phys.org
