Jaclyn Lunger är första författare till ett dokument som beskriver reaktionerna - på atomnivå - bakom ett miljövänligt sätt att producera metaller. Kredit:Yang Shao-Horn, MIT
I ett arbete som skulle kunna inleda mer effektiva, miljövänliga processer för produktion av viktiga metaller som litium, järn och kobolt, har forskare från MIT och SLAC kartlagt vad som händer på atomnivå bakom ett särskilt lovande tillvägagångssätt som kallas metallelektrolys.
Genom att skapa kartor för ett brett spektrum av metaller bestämde de inte bara vilka metaller som skulle vara lättast att producera med detta tillvägagångssätt, utan identifierade också grundläggande hinder bakom effektiv produktion av andra. Som ett resultat kan forskarnas karta bli ett viktigt designverktyg för att optimera produktionen av alla dessa metaller.
Arbetet kan också hjälpa utvecklingen av metall-luft-batterier, kusiner till litiumjonbatterier som används i dagens elfordon.
De flesta metaller som är nyckeln till samhället idag produceras med fossila bränslen. Dessa bränslen genererar de höga temperaturer som krävs för att omvandla den ursprungliga malmen till dess renade metall. Men den processen är en betydande källa till växthusgaser – stål enbart står för cirka sju procent av koldioxidutsläppen globalt. Som ett resultat av detta arbetar forskare från hela världen för att identifiera mer miljövänliga sätt för produktion av metaller.
Ett lovande tillvägagångssätt är metallelektrolys, där en metalloxid, malmen, zappas med elektricitet för att skapa ren metall med syre som biprodukt. Det är reaktionen som utforskas på atomnivå i den aktuella forskningen, som rapporteras i numret 8 april 2022 av tidskriften Chemistry of Materials .
Donald Siegel är institutionsordförande och professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin. Säger Siegel, som inte var involverad i Materialkemi studie:"Detta arbete är ett viktigt bidrag till att förbättra effektiviteten av metallproduktion från metalloxider. Det klargör vår förståelse av elektrolysprocesser med låg kolhalt genom att spåra den underliggande termodynamiken tillbaka till elementära metall-syreinteraktioner. Jag förväntar mig att detta arbete kommer att hjälpa till i skapandet av designregler som kommer att göra dessa industriellt viktiga processer mindre beroende av fossila bränslen."
Yang Shao-Horn, JR East professor i teknik vid MIT:s avdelning för materialvetenskap och teknik (DMSE) och MIT:s avdelning för maskinteknik, är ledare för det nuvarande arbetet med Michal Bajdich från SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien.
"Här siktar vi på att etablera en grundläggande förståelse för att förutsäga effektiviteten av elektrokemisk metallproduktion och metall-luftbatterier genom att undersöka beräknade termodynamiska barriärer för omvandlingen mellan metall- och metalloxider", säger Shao-Horn, som är med i forskargruppen för MIT:s nya Center for Electrification and Decarbonization of Industry, en vinnare av institutets första Climate Grand Challenges-tävling någonsin. Shao-Horn är också knuten till MIT:s Materials Research Laboratory och Research Laboratory of Electronics.
Förutom Shao-Horn och Bajdich är andra författare till Chemistry of Materials-papperet Jaclyn R. Lunger, första författare och en DMSE-student, och Naomi Lutz och Jiayu Peng. Lutz tog sin kandidatexamen från MIT i maskinteknik 2022. Peng är en DMSE doktorand.
Andra applikationer
Arbetet kan också hjälpa utvecklingen av metall-luftbatterier som litium-luft-, aluminium-luft- och zink-luftbatterier. Dessa kusiner till litiumjonbatterierna som används i dagens elfordon har potential att elektrifiera flyget eftersom deras energitätheter är mycket högre. Men de finns ännu inte på marknaden på grund av en mängd olika problem, inklusive ineffektivitet.
Att ladda metall-luftbatterier innebär också elektrolys. Som ett resultat kunde den nya förståelsen på atomnivå av dessa reaktioner inte bara hjälpa ingenjörer att utveckla effektiva elektrokemiska vägar för metallproduktion utan också designa effektivare metall-luftbatterier.
Lär dig av vattenklyvning
Elektrolys används också för att dela upp vatten i syre och väte, som lagrar den resulterande energin. Att vätgas i sin tur skulle kunna bli ett miljövänligt alternativ till fossila bränslen. Eftersom mycket mer är känt om vattenelektrolys, fokus för Bajdichs arbete på SLAC, än elektrolys av metalloxider, jämförde teamet de två processerna för första gången.
Resultatet:"Långsamt upptäckte vi de elementära stegen som är involverade i metallelektrolys", säger Bajdich. Arbetet var utmanande, säger Lunger, eftersom "det var oklart för oss vad dessa steg är. Vi var tvungna att ta reda på hur vi skulle ta oss från A till B," eller från en metalloxid till metall och syre.
Allt arbete utfördes med superdatorsimuleringar. "Det är som en sandlåda med atomer, och sedan leker vi med dem. Det är lite som Legos", säger Bajdich. Mer specifikt utforskade teamet olika scenarier för elektrolys av flera metaller. Var och en involverade olika katalysatorer, molekyler som ökar hastigheten på en reaktion.
Säger Lunger, "För att optimera reaktionen vill du hitta den katalysator som gör den mest effektiv." Teamets karta är i huvudsak en guide för att designa de bästa katalysatorerna för varje annan metall.
Vad kommer härnäst? Lunger noterade att det nuvarande arbetet fokuserade på elektrolys av rena metaller. "Jag är intresserad av att se vad som händer i mer komplexa system som involverar flera metaller. Kan du göra reaktionen mer effektiv om det finns natrium och litium eller kadmium och cesium?" + Utforska vidare
