Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Katalis Murah Mempercepat Produksi Oksigen dari Air

Ilustrasi menggambarkan reaksi elektrokimia, pemecahan molekul air (di kanan, dengan atom oksigen berwarna merah, dan dua atom hidrogen berwarna putih) menjadi molekul oksigen (di kiri), yang terjadi dalam struktur kerangka kerja organik logam hidroksida tim, digambarkan sebagai kisi di bagian atas dan bawah. Kredit: Atas perkenan para peneliti

Bahan tersebut dapat menggantikan logam langka dan menghasilkan produksi bahan bakar netral karbon yang lebih ekonomis.

Reaksi elektrokimia yang memecah molekul air untuk menghasilkan oksigen adalah inti dari berbagai pendekatan yang bertujuan untuk menghasilkan bahan bakar alternatif untuk transportasi. Tetapi reaksi ini harus difasilitasi oleh bahan katalis, dan versi saat ini memerlukan penggunaan elemen langka dan mahal seperti iridium, yang membatasi potensi produksi bahan bakar tersebut.

Sekarang, para peneliti di MIT dan di tempat lain telah mengembangkan jenis bahan katalis yang sama sekali baru, yang disebut kerangka kerja logam hidroksida-organik (MHOF), yang terbuat dari komponen yang murah dan berlimpah. Kelompok bahan memungkinkan para insinyur untuk secara tepat menyesuaikan struktur dan komposisi katalis dengan kebutuhan proses kimia tertentu, dan kemudian dapat menyamai atau melampaui kinerja katalis konvensional yang lebih mahal.

Temuan ini dijelaskan pada 24 Februari 2022, dalam jurnal Nature Materials , dalam makalah postdoc MIT Shuai Yuan, mahasiswa pascasarjana Jiayu Peng, Profesor Yang Shao-Horn, Profesor Yuriy Román-Leshkov, dan sembilan lainnya.

Reaksi evolusi oksigen adalah salah satu reaksi umum untuk produksi elektrokimia bahan bakar, bahan kimia, dan bahan. Proses ini termasuk pembangkitan hidrogen sebagai produk sampingan dari evolusi oksigen, yang dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar atau menjalani reaksi kimia untuk menghasilkan bahan bakar transportasi lainnya; pembuatan amonia, untuk digunakan sebagai pupuk atau bahan baku kimia; dan pengurangan karbon dioksida untuk mengendalikan emisi.

Tapi tanpa bantuan, "reaksi ini lamban," kata Shao-Horn. “Untuk reaksi dengan kinetika lambat, Anda harus mengorbankan tegangan atau energi untuk meningkatkan laju reaksi.” Karena input energi ekstra yang dibutuhkan, “efisiensi keseluruhannya rendah. Jadi itulah mengapa orang menggunakan katalis,” katanya, karena bahan ini secara alami meningkatkan reaksi dengan menurunkan masukan energi.

Namun hingga saat ini, katalis tersebut “semuanya mengandalkan bahan mahal atau logam transisi akhir yang sangat langka, misalnya iridium oksida, dan telah ada upaya besar di masyarakat untuk mencari alternatif berdasarkan bahan yang melimpah di Bumi yang memiliki sifat yang sama. kinerja dalam hal aktivitas dan stabilitas,” kata Román-Leshkov. Tim mengatakan mereka telah menemukan bahan yang memberikan kombinasi karakteristik yang tepat.

Tim lain telah mengeksplorasi penggunaan hidroksida logam, seperti hidroksida nikel-besi, kata Román-Leshkov. Tetapi bahan seperti itu sulit untuk disesuaikan dengan persyaratan aplikasi tertentu. Namun, sekarang, "alasan pekerjaan kami cukup menarik dan cukup relevan adalah karena kami telah menemukan cara untuk menyesuaikan properti dengan membuat struktur nano hidroksida logam ini dengan cara yang unik."

Tim meminjam dari penelitian yang telah dilakukan pada kelas senyawa terkait yang dikenal sebagai kerangka logam-organik ( MOFs ), yang merupakan sejenis struktur kristal yang terbuat dari simpul oksida logam yang dihubungkan bersama dengan molekul penghubung organik. Dengan mengganti oksida logam dalam bahan tersebut dengan hidroksida logam tertentu, tim menemukan, menjadi mungkin untuk membuat bahan yang dapat disesuaikan secara tepat yang juga memiliki stabilitas yang diperlukan untuk berpotensi berguna sebagai katalis.

“Anda menempatkan rantai penghubung organik ini di samping satu sama lain, dan mereka benar-benar mengarahkan pembentukan lembaran logam hidroksida yang saling berhubungan dengan penghubung organik ini, yang kemudian ditumpuk, dan memiliki stabilitas yang lebih tinggi,” kata Román-Leshkov. Ini memiliki banyak manfaat, katanya, dengan memungkinkan kontrol yang tepat atas pola berstruktur nano, memungkinkan kontrol yang tepat dari sifat elektronik logam, dan juga memberikan stabilitas yang lebih besar, memungkinkan mereka untuk berdiri untuk jangka waktu yang lama digunakan.

Dalam pengujian bahan tersebut, para peneliti menemukan kinerja katalis menjadi "mengejutkan," kata Shao-Horn. “Ini sebanding dengan bahan oksida canggih yang mengkatalisasi reaksi evolusi oksigen.”

Sebagian besar terdiri dari nikel dan besi, bahan-bahan ini setidaknya 100 kali lebih murah daripada katalis yang ada, kata mereka, meskipun tim belum melakukan analisis ekonomi penuh.

Kelompok bahan ini “benar-benar menawarkan ruang baru untuk menyesuaikan situs aktif untuk mengkatalisasi pemisahan air untuk menghasilkan hidrogen dengan input energi yang berkurang,” kata Shao-Horn, untuk memenuhi kebutuhan yang tepat dari setiap proses kimia tertentu di mana katalis semacam itu dibutuhkan.

Bahan-bahan tersebut dapat memberikan "tunability lima kali lebih besar" daripada katalis berbasis nikel yang ada, kata Peng, hanya dengan mengganti logam yang berbeda sebagai pengganti nikel dalam senyawa tersebut. “Ini berpotensi menawarkan banyak jalan yang relevan untuk penemuan masa depan.” Bahan juga dapat diproduksi dalam lembaran yang sangat tipis, yang kemudian dapat dilapisi ke bahan lain, lebih lanjut mengurangi biaya bahan dari sistem tersebut.

Sejauh ini, bahan-bahan tersebut telah diuji dalam perangkat uji laboratorium skala kecil, dan tim sekarang menangani masalah mencoba meningkatkan proses ke skala yang relevan secara komersial, yang masih bisa memakan waktu beberapa tahun. Tetapi ide tersebut memiliki potensi besar, kata Shao-Horn, untuk membantu mengkatalisasi produksi bahan bakar hidrogen yang bersih dan bebas emisi, sehingga “kita dapat menurunkan biaya hidrogen dari proses ini tanpa dibatasi oleh ketersediaan logam mulia. . Ini penting, karena kami membutuhkan teknologi produksi hidrogen yang dapat ditingkatkan.”

Referensi: “Tunable metal hydroxide–organic frameworks for catalysing oxygen evolution” by Shuai Yuan, Jiayu Peng, Bin Cai, Zhehao Huang, Angel T. Garcia-Esparza, Dimosthenis Sokaras, Yirui Zhang, Livia Giordano, Karthik Akkiraju, Yun Guang Zhu, René Hübner, Xiaodong Zou, Yuriy Román-Leshkov and Yang Shao-Horn, 24 February 2022, Nature Materials.

Tim peneliti termasuk orang lain di MIT, Universitas Stockholm di Swedia, SLAC National Accelerator Laboratory, dan Institute of Ion Beam Physics and Materials Research di Dresden, Jerman. Pekerjaan itu didukung oleh Toyota Research Institute.