Si ha estado siguiendo la tendencia en el mundo del hidrógeno recientemente, es posible que haya notado un punto de conflicto importante: el costo y la dureza de los catalizadores en PEM ácidos. corriente eléctrica. Ese obstáculo se ha mantenido. hidrógeno verde y barato producción de hidrógeno Justo fuera de su alcance. Pero aquí hay una nueva reseña. ciencia electronica por investigadores de Universidad Nankai Argumente que es viejo y bueno. manganeso—Este metal rico en tierra y económico—podría estar a la altura del desafío del costoso iridio y rutenio para Reacción de evolución de oxígeno (REA).
¿Por qué es importante el manganeso?
La separación de agua de la membrana de intercambio de protones es fundamental para el gran hidrógeno verde y proyectos limpios de amoníaco: respuesta eficiente y rápida a la energía renovable variable. El problema es que el ambiente ácido requiere que los desarrolladores utilicen catalizadores de iridio y rutenio, raros y costosos. La investigación del equipo de Nankai muestra que los materiales a base de manganeso pueden abordar cuatro obstáculos principales: costo, estabilidad, actividad y escalabilidad.
Profundizan en todo, desde óxido de manganeso hasta estructuras de espinela y marcos de aleación. una y otra vez Estos competidores de manganeso igualan el rendimiento REA del metal precioso al tiempo que reducen la carga de iridio en más de un 90%, considerando que la producción mundial de iridio apenas alcanza los cientos de kilogramos cada año. Eso es un punto de inflexión en la escalabilidad. Infraestructura de hidrógeno.
Arraigado en la naturaleza y el progreso de RIKEN
La idea se remonta al Fotosistema II, donde pequeños grupos de manganeso y calcio impulsan la división del agua en las plantas. El avance rápido de Japón reino Y los investigadores han demostrado un catalizador híbrido de óxido de Mn-Ir que reduce el uso de iridio en un 95% y permanece estable durante más de 3000 horas. Aprovechando ese impulso, la revisión de Nankai destaca los sistemas y compuestos de manganeso puro que apuntan a lograr el mismo o mejor rendimiento. sin utilizar metales preciosos
Desembalaje del kit de herramientas de manganeso
¿Qué hace que el manganeso sea una herramienta versátil para los REA? Aquí está el punto más bajo:
- Autosanación: Los iones Mn disueltos se acumulan nuevamente en el sitio activo. Repara el desgaste tras miles de ciclos.
- Resultados de soporte: La red de óxido de Mn induce estrés y vacantes de oxígeno en partículas de metales nobles. Esto aumenta su actividad interna.
- Ajuste electrónico: La adición de Mn desplaza el centro de la banda D de los metales de transición cercanos. Es un ajuste fino de la energía de adsorción del medio de reacción.
- Cambios de mecanismo: Algunas mezclas de Mn redirigen los REA a una vía de varios pasos que controla el agotamiento de oxígeno.
- Cambios de textura: Bajo el voltaje aplicado, el sitio Mn puede transformarse en la fase de oxihidróxido altamente activa. Especialmente junto con trazas de metales nobles.
En muchos polimorfos de óxido de manganeso, Mn3+/redondo4+ Los pares redox impulsan reacciones catalíticas. Control de la relación de estados de oxidación y selección de fases cristalinas. Desde beurnessita en capas hasta hollandita con estructura de túnel. Le ayuda a elegir el punto óptimo entre conductividad y durabilidad.
Además, el óxido de Mn es un excelente huésped para pequeñas partículas de metales nobles. Anclaje de nanopartículas en MnO2 Las nanohojas o espinelas están distribuidas uniformemente. Aumente la superficie y obtenga aún más ahorros en metales preciosos.
El papel de la Universidad de Nankai en la investigación sobre energía sostenible
Fundada en 1919 en Tianjin. Universidad Nankai Se ha convertido en uno de los centros de viajes de China. energía sostenible y materiales avanzados Durante la última década, el equipo de electrocatálisis de la compañía ha publicado docenas de artículos sobre separación de agua y CO.2 Reductor y pila de combustible Esta nueva revisión une esos esfuerzos en una hoja de ruta clara. Esto muestra que la educación básica y los trucos de ingeniería están convergiendo para aprovechar uno de los mayores generadores de costos en producción de hidrógeno.
Escalabilidad e impacto en los costos.
Recortar el suministro de metales preciosos en más del 90% no es sólo un tema de conversación. Pero también puede alterar la cadena de suministro. Reducir los cuellos de botella de materia prima Y reduce una parte significativa del CAPEX de la pila de electrolizadores PEM, ya que la producción de iridio apenas puede alcanzar los 1.000 kilogramos por año. Por lo tanto, depender de la abundancia de manganeso supone un enorme problema de suministro. Para las empresas que buscan implementar múltiples gigavatios, ese tipo de estabilidad es oro puro.
Por supuesto, el ahorro exacto depende de factores como el precio de la electricidad y el diseño de la chimenea. y tamaño del sistema Pero recortar los metales caros en nueve décimas partes probablemente reduciría significativamente el CAPEX. hidrógeno verde Costo casi igual al de los métodos tradicionales
La transición de una planta a escala de laboratorio a una planta piloto presenta una curva incorporada: catalizadores de Mn producidos en masa. Recubrimiento uniforme en el electrodo de membrana y supervivencia al estrés del mundo real a altas densidades de corriente. Pero el rendimiento versátil del manganeso cumple muchos requisitos. Hay muchas cosas con las que tienen que lidiar los catalizadores de metales nobles puros.
Barreras técnicas e interacción catalizador-membrana.
Un tema delicado es la solubilidad del manganeso en condiciones ácidas. Incluso con la autoconservación, los ionómeros inteligentes y el diseño de la capa de catalizador también son fundamentales para controlar la lixiviación de Mn en la membrana. Los estudios integrados sobre el desarrollo de catalizadores y la compatibilidad de las membranas serán clave para mantener el flujo de iones simultáneamente. para prevenir el cruce de gas y los contratiempos hidráulicos
Las pruebas estandarizadas son otra necesidad. La mayoría de informes académicos tienen valores por debajo de 50 mA/cm.2Pero las pilas PEM comerciales funcionan a 1-2 A/cm.2El rendimiento estable comprobado durante miles de horas en esas tendencias de la industria sigue siendo el estándar de oro.
Más allá del hidrógeno: aplicaciones más amplias
Estos conocimientos sobre el manganeso no sólo se aplican a la división del agua. De las pilas de combustible al CO2 Disminuir el concepto de autoconservación Los óxidos metálicos sintonizados electrónicamente pueden aumentar la durabilidad y reducir los costos en todo el espectro de energía limpia. Y porque el manganeso es geopolíticamente frío y respetuoso con el medio ambiente. Por tanto, su adopción generalizada acelera la liberación de manganeso. Infraestructura de hidrógeno etcétera energía sostenible sistema sin crear nuevos conflictos de recursos.
Próximos pasos para la investigación
El equipo está superando los límites con la impresión 3D y la electrodeposición para modelar el catalizador de Mn en una capa de difusión de gas. Mientras tanto, la detección mediante aprendizaje automático acelera la búsqueda de la combinación perfecta de fase e impureza. La caracterización in situ y la espectroscopia operante serán fundamentales para planificar rutas de degradación a nivel atómico. Entonces podemos fabricar electrodos que duran miles de horas.
Al final, cada dólar ahorrado y cada hora de trabajo adicional nos acerca a un futuro libre de carbono. Esta reseña de. Universidad Nankai Esta no es la única descripción general de los catalizadores REA a base de manganeso. Pero también es un libro de jugadas desde la prueba de concepto hasta la superestrella de la industria, por ejemplo. energía sostenible Los sistemas se están expandiendo por todo el mundo. Los electrocatalizadores de manganeso pueden ser el ingrediente secreto que los hace realmente asequibles. hidrógeno verde producción de realidad
