Om den inte kontrolleras kan korrosion rosta ut bilar och rör, ta ner byggnader och broar och äta bort våra monument. Korrosion kan också skada enheter som kan vara nyckeln till en framtid med ren energi. Och nu har forskare från Duke University fångat extrema närbilder av den processen i aktion.
"Genom att studera hur och varför enheter förnybar energi går sönder med tiden, kan vi kanske förlänga deras livslängd", säger kemiprofessorn och seniorförfattaren Ivan Moreno-Hernandez.
I hans labb på Duke sitter en miniatyrversion av en sådan enhet. Kallas en elektrolysör, den separerar väte från vatten och använder elektricitet för att driva reaktionen.
När elektriciteten för att driva elektrolys kommer från förnybara källor som vind eller sol, anses vätgasen som den strömmar ut vara en lovande källa till rent bränsle, eftersom det inte krävs några fossila bränslen att producera och den brinner utan att skapa någon planetvärmande koldioxid .
Ett antal länder har planer på att skala upp sin produktion av så kallat "grönt väte" för att hjälpa till att minska deras beroende av fossila bränslen, särskilt inom industrier som stål- och cementtillverkning.
Men innan väte kan bli mainstream måste några stora hinder övervinnas.
En del av problemet är att elektrolysatorer kräver sällsynta metallkatalysatorer för att fungera, och dessa är benägna att korrosion. De är inte likadana efter ett års drift som de var i början.
I en studie publicerad 10 april i Journal of the American Chemical Society , Moreno-Hernandez och hans Ph.D. student Avery Vigil använde en teknik som kallas vätskefastransmissionselektronmikroskopi för att studera de komplexa kemiska reaktionerna som pågår mellan dessa katalysatorer och deras miljö som får dem att sönderfalla.
Du kanske minns från gymnasiet att för att göra vätgas delar en elektrolysator vatten i dess beståndsdelar väte- och syremolekyler. För den aktuella studien fokuserade teamet på en katalysator som kallas ruteniumdioxid som påskyndar syrehalvan av reaktionen, eftersom det är flaskhalsen i processen.
"Vi sätter i huvudsak dessa material genom ett stresstest," sa Vigil.
De zappade nanokristaller av ruteniumdioxid med högenergistrålning och såg sedan förändringarna som åstadkoms av den sura miljön inuti cellen.
För att ta bilder av sådana små föremål använde de ett transmissionselektronmikroskop, som skjuter en elektronstråle genom nanokristaller suspenderade inuti en supertunn ficka med vätska för att skapa time-lapse-bilder av kemin som äger rum med 10 bilder per sekund.
Resultatet:skrivbordsvärda närbilder av kristaller i virusstorlek, mer än tusen gånger finare än ett människohår, eftersom de oxideras och löses upp i den sura vätskan runt dem.
"Vi kan faktiskt se processen med denna katalysator bryta ner med upplösning i nanoskala," sa Moreno-Hernandez.
Under loppet av fem minuter bröts kristallerna ner tillräckligt snabbt för att "göra en riktig enhet värdelös på några timmar", sa Vigil.
Genom att zooma in hundratusentals gånger avslöjar videorna subtila defekter i kristallernas 3D-former som skapar spänningsområden, vilket gör att vissa bryts ner snabbare än andra.
Genom att minimera sådana ofullkomligheter säger forskarna att det en dag skulle vara möjligt att designa enheter för förnybar energi som håller två till tre gånger längre än vad de gör för närvarande.
"Så istället för att vara stabil i, säg, två år, kan en elektrolysator hålla sex år. Det kan ha en enorm inverkan på förnybar teknik," sa Moreno-Hernandez.
Mer information: S. Avery Vigil et al, Dissolution Heterogeneity Observed in Anisotropic Ruthenium Dioxide Nanocrystals via Liquid-Phase Transmission Electron Microscopy, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c13709
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Duke University
