Projekti / Programi
Od modelskih do uporabnih elektrokatalizatorjev
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P401 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektrokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
elektrokatalizatorji, nova metodologija, plavajoča elektroda, reakcija redukcije kisika, redukcija ogljikovega dioksida, aktivnost, trajnost
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35375 |
dr. Primož Jovanovič |
Kemija |
Vodja |
2018 - 2020 |
188 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.942 |
Povzetek
Izhodišče: Elektrokatalitska konverzija obnovljivih virov v električno energijo, goriva ali koristne kemikalije je ena od najpomembnejših usmeritev za človeštvo. Le v tem primeru bo namreč možno izpolniti najnujnejša tehnološka cilja, ki sta: čista proizvodnja energije in izboljšanje okoljskih (podnebnih) parametrov. Čeprav so raziskovalci v preteklih desetletjih izjemno povečali elektrokatalitsko aktivnost najboljših katalizatorjev (v mA na 1 cm2 površine ali v mA na 1 g aktivne spojine), pa praktično sploh ni prišlo do prenosa teh odkritij iz laboratorijske na polindustrijsko, kaj šele industrijsko skalo; z drugimi besedami, obstaja »velik prepad« med laboratorijskimi izumi in praktično uporabo elektrokatalizatorjev v elektrokatalitskih napravah.
Osrednja ideja: Pričujoči projekt bo skušal razrešiti omenjeni prepad z uvedbo povsem nove metodologije za preiskavo delovanja elektrokatalizatorjev, ki bo temeljila na tako imenovani plavajoči elektrodi (floating electrode). Metodologija bo zamenjala obstoječo najbolj razširjeno laboratorijsko metodo, ki temelji na uporabi rotirajoče disk elektrode s tankim filmom (TF-RDE).
Prednosti: Pričakovane prednosti nove metode so naslenje: (i) omogočila bo hiter masni transport h katalitskemu nanosu (plinski reaktanti bodo namreč dostopali neposredno iz plinske faze in ne preko elektrolita kot v obstoječih metodah), (ii) elektrokemijsko reakcijo bomo lahko spremljali v zelo širokem tokovnem območju (3 rede velikosti večjem kot z obstoječimi metodami, (iii) celico bomo lahko sklopili neposredno s komplementarnimi analiznimi metodami (ICP-MS, mikroskopijami, spektroskopijami ipd), kar bo omogočilo veliko boljši vpogled v procese, ki se dogajajo med delovanjem elektrokatalizatorja.
Glavni pričakovani rezultati: Bolj realistično kvantitativno ovrednotenje elektrokatalitske aktivnosti (pri visokih tokovih, nizkih potencialih); vpogled v kinetiko reakcije kot funkcijo tokovne gostote (fundamentalni izziv, ki še ni razrešen). Vpogled v vlogo trojne fazne meje katalizator-ionomer-plin (fundamentalni izziv, ki so ga doslej zelo redko proučevali). Ovrednotenje vloge masnega transporta (difuzije reaktantov, produktov) na laboratorijski skali – to s sedanjo konfiguracijo elektrod/celic ni možno. Pridobitev kritičnih parametrov, ki so potrebni za izdelavo realne 3D elektrokatalitske naprave, denimo membranskega elektrodnega sklopa (MEA). Priprava optimirane realne naprave (MEA), ki bo temeljila na podatkih, zbranih z novo laboratorijsko celico na osnovi plavajoče elektrode.
Upravljanje projekta: Projektne aktivnosti bodo izvedene na Kemijskem inštitutu v sodelovanju s tremi odseki in Univerzi v Utahu, v sodelovanju s tamkajšnjim Odsekom za kemijo, ki ga vodi prof. dr. Shelley Minteer- svetovno priznana znanstvenica s področja elektrokatalize. Vodja projekta ima dostop do širokega nabora opreme, ki je potreben za izvedbo projekta. Aktivnosti so razdeljene v 3 delovne sklope (WP). V projektu kandidat načrtuje 8 izročkov.
Pomen projekta: Nova metodologija na osnovi plavajoče elektrode bo omogočila raziskave, ki z obstoječo metodologijo še niso mogle biti zadovoljivo izvedene: nov vpogled v reakcijsko kinetiko pri visokih tokovih, kvantitativno obravnavo trojne fazne meje katalizator-ionomer-plin, ovrednotenje vloge masnega transporta na laboratorijski skali, večji nabor in bolj natančne vrednosti vhodnih parametrov v reakcijsko-transportnem mehanizmu – kar bo zelo olajšalo pripravo optimiranih realnih 3D membransko-katalizatorskih nanosov.
Pomen za razvoj znanosti
Najpomembnejše novosti, ki jih prinašajo raziskave z novo celico, se dotikajo nekaterih fundamentalnih vprašanj, ki z obstoječo metodologijo še niso mogle biti zadovoljivo obravnavane. Primeri takšnih novosti so:
Nov vpogled v reakcijsko kinetiko, ki jo katalizira elektrokatalizator, kot funkcijo velikosti toka. Podrobni mehanizmi teh reakcij pod velikimi tokovi (ki jih sicer srečamo v praksi) so bolj ali manj neznani. Kakršen koli napredek v tem smislu pomeni pomembno fundamentalno odkritje, ki ga je moč publicirati v najprestižnejših revijah.
Vpogled v vlogo trojne fazne meje katalizator-ionomer-plin. V literaturi je le nekaj poskusov vrednotenja te najpomembnejše meje v katalizatorskem sloju – izjema so visokotemperaturne keramične gorivne celice, kjer je trojna fazna meja predmet poglobljenih raziskav že vrsto let.
Ovrednotenje vloge masnega transporta (difuzije reaktantov, produktov) na laboratorijski skali. Takšno ovrednotenje s sedanjo konfiguracijo elektrod/celic ni bilo možno, ker so pogoji v obstoječih celicah neustrezni za študij masnega transporta. Za razliko od nove celice, kjer bodo reaktanti dostopali do katalizatorja neposredno iz plinske faze (enako kot v realni MEA), poteka v sedanji TF-RDE celici ta transport preko tekočega elektrolita, v katerem se plini zelo slabo raztapljajo. Tako bomo lahko na laboratorijski skali prvič sistematično proučevali vpliv transporta v celokupni reakcijsko-difuzijski shemi (pri tem bodo v veliko pomoč dodatne, komplementarne tehnike, ki bodo priklopljene na elektrokemijsko celico).
Priprava optimirane realne naprave (MEA), ki bo temeljila na podatkih, zbranih z novo laboratorijsko celico na osnovi plavajoče elektrode. Izboljšavo bomo demonstrirali neposredno v projektu, in sicer na primeru vsaj enega aktualnega katalizatorja (bodisi za reakcijo redukcije kisika ali reakcije redukcije CO2).
Večina izzivov, ki jih navajamo zgoraj, je izjemnega pomena za razumevanje in nadaljnji razvoj elektrokatalizatorjev. Odkritja na tem nivoju so običajno obljavljena v najbolj prestižnih revijah. Pričakujemo, da bo izvajanje projekta vodilo do več prebojev, ki jih bomo lahko objavili v revijah ranga Science, družina Nature ali ACS kjer je vodja projekta v preteklosti že objavljal (denimo 4-krat v družini ACS).
Pomen za razvoj Slovenije
The project will introduce a new methodology for investigation of electrocatalyst activity on the laboratory scale.The new cell based on floating electrode will open a possibility of investigation of selected phenomena that could not be tackled using present setups. For example:
It will allow insight into reaction kinetics occurring on electrocatalyst as a function of current density to very high values. The detailed kinetics of reactions at such high-current conditions are fundamentally unknown. Any breakthrough along these lines is of extreme importance and publishable in most prestigious journals
Insight into the role of triple phase boundary at catalyst-ionomer-gas will be possible. There are very few works addressing this issue in low temperature electrocatalyst devices - as opposed to high temperature fuel cells where this has been a primary focus for many years. Fundamental breakthroughs may be expected in understanding this triple phase boundary using the new approach.
Evaluation of the role of mass transport (diffusion of reactants, products) on laboratory scale. Such evaluation has not been possible with present cell configurations because the conditions are completely different from realistic ones found in practical devices. Whereas in the new floating cell the gases will be delivered directly from the gas phase, in present TF-RDE configuration the gases pass through liquid electrolyte which is irrelevant from the point of view of MEA. Thus, for the first time it will be possible to investigate experimentally the mass transport in simple laboratory cell surrounded by complementary techniques. It is highly probably that new findings concerning the transport mechanism will be possible.
Preparation of optimized real device (MEA) based on data collected using the new laboratory cell will become possible. This will be demonstrated directly in the project on one or two examples of modern electrocatalysts (for oxygen or CO2 reduction).
Most of the challenges mentioned above are of very higy importance for fundamental and applied research in the field of electrocatalysts. Discoveries on this level are regularly published in most prestigious journals (see survey of literature). We estimate that at least some of the project results will be published in Science, Nature or ACS journal family. This will allow the project leader to maintain their track of high-edge discoveries and publications (4 publications in ACS family and many in various other high-rank journals).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
