Команда создает карту производства экологически чистых металлов

В работе, которая могла бы открыть более эффективные и экологически безопасные процессы производства важных металлов, таких как литий, железо и кобальт, исследователи из Массачусетского технологического института и Национальной ускорительной лаборатории SLAC нанесли на карту то, что происходит на атомном уровне за особенно многообещающим подходом, называемым металлом. электролиз.

Создав карты для широкого спектра металлов, они не только определили, какие металлы проще всего производить с использованием этого подхода, но и выявили фундаментальные препятствия для эффективного производства других. В результате карта исследователей может стать важным инструментом проектирования для оптимизации производства всех этих металлов.

Эта работа также может помочь в разработке металло-воздушных аккумуляторов, двоюродных братьев литий-ионных аккумуляторов, используемых в современных электромобилях.

Большинство металлов, имеющих сегодня ключевое значение для общества, производятся с использованием ископаемого топлива. Эти виды топлива создают высокие температуры, необходимые для превращения исходной руды в очищенный металл. Но этот процесс является значительным источником парниковых газов — только на сталь приходится около 7 процентов выбросов углекислого газа во всем мире. В результате исследователи со всего мира работают над поиском более экологичных способов производства металлов.

Одним из многообещающих подходов является электролиз металлов, при котором оксид металла, руда, нейтрализуется электричеством для получения чистого металла с кислородом в качестве побочного продукта. Это реакция, изученная на атомном уровне в новом исследовании, опубликованном в номере журнала от 8 апреля. Химия материалов.

Дональд Сигел — заведующий кафедрой и профессор машиностроения Техасского университета в Остине. Говорит Сигел, не участвовавший в Химия материалов исследование: «Эта работа является важным вкладом в повышение эффективности производства металлов из оксидов металлов. Это проясняет наше понимание процессов электролиза с низким содержанием углерода, прослеживая лежащую в основе термодинамику до элементарных взаимодействий металла и кислорода. Я ожидаю, что эта работа поможет в создании правил проектирования, которые сделают эти важные для промышленности процессы менее зависимыми от ископаемого топлива».

Ян Шао-Хорн, профессор инженерии JR East на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE) и факультете машиностроения, является руководителем текущей работы вместе с Михалом Байдичем из SLAC.

«Здесь мы стремимся установить базовое понимание для прогнозирования эффективности электрохимического производства металлов и металло-воздушных батарей на основе изучения рассчитанных термодинамических барьеров для преобразования между металлом и оксидами металлов», — говорит Шао-Хорн, который входит в исследовательскую группу Массачусетского технологического института. новый Центр электрификации и обезуглероживания промышленности, победитель первого в истории конкурса института «Большие климатические вызовы». Шао-Хорн также сотрудничает с Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института и Исследовательской лабораторией электроники.

Помимо Шао-Хорна и Байдича, другие авторы Химия материалов статья Жаклин Р. Лунгер, первый автор и аспирант DMSE; старший инженер-механик Наоми Лутц; и аспирант DMSE Джиаю Пэн.

Другие приложения

Эта работа также может помочь в разработке металло-воздушных батарей, таких как литий-воздушные, алюминиево-воздушные и цинково-воздушные батареи. Эти двоюродные братья литий-ионных батарей, используемых в современных электромобилях, могут электрифицировать авиацию, поскольку их плотность энергии намного выше. Однако они еще не представлены на рынке из-за множества проблем, включая неэффективность.

Зарядка металловоздушных аккумуляторов также включает электролиз. В результате новое понимание этих реакций на атомном уровне может не только помочь инженерам разработать эффективные электрохимические способы производства металлов, но и разработать более эффективные металловоздушные батареи.

Обучение расщеплению воды

Электролиз также используется для расщепления воды на кислород и водород, который сохраняет полученную энергию. Этот водород, в свою очередь, может стать экологически чистой альтернативой ископаемому топливу. Поскольку об электролизе воды, на котором Байдич работал в SLAC, известно гораздо больше, чем об электролизе оксидов металлов, команда впервые сравнила два процесса.

Результат: «Медленно мы открыли элементарные этапы электролиза металлов», — говорит Байдич. Работа была сложной, говорит Лунгер, потому что «нам было неясно, что это за этапы. Нам нужно было выяснить, как перейти от А к Б», или от оксида металла к металлу и кислороду.

Вся работа проводилась с помощью суперкомпьютерного моделирования. «Это как песочница атомов, а потом мы с ними играем. Это немного похоже на Лего», — говорит Байдич. В частности, команда исследовала различные сценарии электролиза нескольких металлов. Каждый из них включал различные катализаторы, молекулы, которые ускоряют реакцию.

Лунгер говорит: «Чтобы оптимизировать реакцию, вам нужно найти катализатор, который сделает ее наиболее эффективной». Карта команды — это, по сути, руководство по разработке лучших катализаторов для каждого отдельного металла.

Что дальше? Лунгер отметил, что текущая работа сосредоточена на электролизе чистых металлов. «Мне интересно посмотреть, что происходит в более сложных системах, включающих несколько металлов. Можно ли сделать реакцию более эффективной, если в ней будут присутствовать натрий и литий или кадмий и цезий?

Эта работа была поддержана премией Департамента энергетики США для аспирантов исследований. Он также был поддержан стипендией MIT Energy Initiative, Исследовательским институтом Toyota в рамках Программы ускоренного проектирования и открытия материалов, Научной программы по катализу Министерства энергетики, Управления фундаментальных энергетических наук и Дифференциальной программы в рамках передовых исследовательских проектов США. Агентство — Энергия.