Elektrokataliz: Asosiy printsiplar, tahliliy metodlar va kelajakdagi yo'nalishlar

Barqaror energiya echimlari bo'yicha dolzarb global qidiruvda elektrotatsiya texnologiyalari sifatida elektrotataliz paydo bo'ldi. Bu yashil vodorod iqtisodiyotining va'dasi, u karbonat angidridni qimmatli yoqilg'ilarga va energiya saqlash tizimlarining keyingi avlodlarini samarali o'tkazish. Ammo elektrotataliz nima o'zi va u qanday ishlaydi? Texnologik innovatsiyalar oldidagi mutaxassislar uchun ushbu jarayonning asosiy printsiplarini tushunish juda muhimdir.

Ushbu maqola elektrotalizda batafsil premer sifatida xizmat qiladi. Biz uning asosiy mexanizmlarini sinab ko'ramiz, elektrotatsion tizimlarni sinash va tavsiflash uchun ishlatiladigan murakkab usullarni o'rganamiz va nihoyat, uning barcha imkoniyatlarini ro'yobga chiqarish uchun engish kerak bo'lgan qiyinchiliklar bilan to'qnashadi. Ushbu transformatsion maydonni belgilaydigan murakkab elektron elektron gazlar, katalizator va reaktsiyalar bilan o'zaro bog'liqlikni yo'q qiladi.

Eng sodda,elektrotatsiyaElektrokimyoviy reaktsiyani tezlashtirish uchun katalizatordan foydalanish - bu elektrod va kimyoviy turlar orasidagi elektronni uzatishni o'z ichiga oladigan reaktsiya. AelektrotalystUshbu elektron uzatishni osonlashtiradigan material, bu amaliy stavkada, jarayon oxirida olib borilayotganda, bu amaliy tezlikda davom etadigan energiyani pasaytiradi.

BuElektrokatalitik mexanizmBu qanday sodir bo'lishidan qat'i nazar, - bilan batafsil, -. Unda qattiq elektrotalyst (elektrod) va suyuq elektrolit orasidagi interfeysda yuzaga keladigan atom va molekulyar tadbirlar ketma-ketligi tasvirlangan. Bunga quyidagilar kiradi:

ASSORB:Qanday reaktant molekulalari katalizator yuzasiga yopishadi.

Elektron uzatish:Elektron elektroddan qanday elektron devor obligatsiyalarini sindirish va shakllantirish, buzish va shakllantirish elektroddan qanday o'tadi.

Reaktsiya:ABRSbed turlarini vositachilik va keyinchalik yakuniy mahsulotlarga aylantirish.

Yonish:Mahsulot molekulalari yangi tsikl uchun faol saytni bo'shatib, sirtdan ajratadi.

Ushbu mexanizmni tushunish akademik mashq emas; Bu eng yaxshi katalizatorlarni muhandbatlantirishning kalitidir. Reaktsiyada aniq "Bottlenecks" aniqligini bilish orqali, olimlar ularni engish uchun vositalarni loyihalashtirish, ularni eng samarali, tanlab va bardoshli bo'lgan tizimlarga olib boradigan tizimlarga olib keladi.

Mexanizm fundamental jismoniy va kimyoviy printsiplar to'plami bilan boshqariladi.

2.1 Marcus elektron o'tkazmasi nazariyasi

Elektriyali elektrod va kimyoviy turlarni rudolf A. Sergus tomonidan qanday qilib kimyoviy turlar ishlab chiqilgan asosiy nazariya ishlab chiqilgan. Elektron uzatish stavkasi nafaqat harakatlantiruvchi kuchga (amaliy kuchlanishga), balki molekulyar va erituvchi muhitni qayta tashkil etishga bog'liqligini anglatadi.

Elektron donor va qabul qiluvchini tasavvur qiling. Elektron o'tkazish uchun elektron uchun Elishib, ikkala atrofidagi molekulyar aloqalar bir zumda ularning energiya darajasi teng bo'lishi kerak. Ushbu qayta tashkil etish energiya talab qiladi. Markus nazariyasi buni dastlab harakatlanish kuchi harakatlantiruvchi kuch bilan ortib borayotganini ko'rsatadi, ammo harakatlantiruvchi kuch juda katta bo'lsa ("teter mintaqa"). Elektrda yaxshi katalizatorda yaxshi katalizator ushbu qayta tashkil etish energiyasini minimallashtiradi, shunda elektron ko'chish uchun ko'proq "qulay" yo'lni yaratadi, shu bilan reaktsiyani tezlashtiradi.

2.2. - bilvosita zaryadlash mexanizmlari

Hamma elektron o'tkazmalari tengdir. Ular ikkita asosiy yo'l orqali sodir bo'lishi mumkin:

To'g'ridan-to'g'ri zaryadlash:Elektron elektrod va reaktiv molekula o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri elektrod va bitta bosqichda harakatlanadi. Bu oddiy, tashqi - tariflar uchun keng tarqalgan reaktsiyalar yuzasi yuzasi bilan kuchli kimyoviy aloqani shakllantirishiga hojat yo'q. Klassik misol - bu Femice / Fe Redox juftligi.

Bilvosita zaryadlash:Bu kislorodni kamaytirish (orr) yoki suv bo'linishi kabi murakkab reaktsiyalar uchun haqiqiy kataliziya olamidir. Bu erda, reaktiv birinchi kimyoviy kimyoslar (kuchli kimyoviy aloqani shakllantiradi) katalizator yuzasiga. Elektron uzatish kimyoviy bosqichlari - obligatsiyalar qatoriga bir qator adsorbed oraliq turlari orqali - - ni shakllantirish va - shakllantiriladi. Katalizatorning roli - bu ko'p -} ga qarshi reaktsiya uchun umumiy energiya to'sig'ini pasaytiradigan ushbu vositalarni barqarorlashtirish.

2.3 Faol markazning roli: katalizatorning yuragi

Faol markaz - bu sehrli katalizator yuzasidagi o'ziga xos joy.

Faol markazlarning shakllanishi:Bu odatda yuqori energiya va betakror elektron xususiyatlar, masalan, atom nuqsonlari, bosqich qirralari, kinks yoki bitta atomlarni qo'llab-quvvatlash materialiga doplagan. Ularning to'yinmagan muvofiqlashtirish va buzilgan geometriya ularni reaktivlar uchun "yopishqoq" qiladi va elektron uzatishni boshqa yo'l bilan tekis, mukammal sirtni o'zgartira oladi. Katalizator sintezining san'ati ko'pincha ushbu faol markazlarning raqamini va ulardan foydalanish imkoniyatini maksimal darajada oshiradi.

Katalitik funktsiya:Faol markaz majburiy reaktsion molekulalar tomonidan ishlaydishunchaki to'g'ri- ularni faollashtirish uchun etarlicha etarlicha etarlicha (masalan, o =}}}}} o aloqasi oliga qadar), ammo bu shunchalik kuchli emas, ammo bu shunchalik kuchli emas, ammo bu shunchalik kuchli emas, bu shunchalik kuchli emaski, ular shunchalik kuchli emaski, bu er yuzasini zaharla olmaydi. Bu "Sabatier" printsipi tomonidan "Oltinliklarni oltin bayroq energiyasini" optimal bog'lash energiyasini optimal katalizator uchun joylashtiradi.

2.4 Termodinamika va kincycicicsics reaktsiyasi

Termodinamik maqsadga muvofiqlik:Termodinamika bizga aytadiagarQayta energiya (DG) reaktivlar va mahsulotlar o'rtasidagi farqni hisoblash orqali reaktsiya o'z-o'zidan sodir bo'lishi mumkin. Elektrokimyoviy reaktsiya uchun, bu muvozanat salohiyat salohiyatiga (e darajasiga) tarjima qiladi. Agar Amaliy elektrod potentsial potentsialidan ko'ra salbiy darajaga ega bo'lsa (yoki oksidlanish uchun ko'proq ijobiy), reaktsiya termodinamik jihatdan qulaydir. Biroq, termodinamika jimQanday tezBu sodir bo'ladi.

Kinetetik xususiyatlar:Ketikika bilan shug'ullanadibaholamoqreaktsiyadan. Hatto termodinamik jihatdan qulay reaktsiya ham katalizatorsiz juda sekin bo'lishi mumkin. Kinetik to'siq bilan hisoblanganhaddan tashqari ortiqcha (ē)- Tasvirni kerakli stavkada boshqarish uchun qo'llanilishi kerak bo'lgan muvozanat salohiyatidan tashqari qo'shimcha kuchlanish. Elektrotalizning asosiy maqsadi bu ortiqcha ma'lumotni minimallashtirishdir, shu bilan energiya samaradorligini oshiradi. Katalizator shunga o'xshash faollashtirishning pasayishi bilan alternativ reaktsiyani ta'minlash orqali bunga erishadi.

Ushbu murakkab mexanizmlarni ochish an'anaviy elektrokimyoviy testlarni rivojlangan holda an'anaviy elektrokimyoviy sinovlarni birlashtiradisitudatavsiflash.

3.1 Sinovchilik texnikasi

Ushbu usullar elektr toklari va potentsiallarini o'lchash katalizatorning ishlashini tekshiradi.

Tsiklik Voltmmetriya (CV):Bu fundamental va ko'p qirrali ishshunos. Elektrode potentsial tsiklik shaklida oqilona va tsikl shaklida va oqim o'lchanadi. CV uchun quyidagilar uchun ishlatiladi:

Redoks cho'qqini aniqlash va standart potentsialni aniqlash.

Sirt jarayoni bilan bog'liq bo'lgan zaryadni o'lchash orqali elektrokimyoviy faol joy (ECSA) baholash.

Bir nechta tsikllar katalizatsiyasining barqarorligini o'rganish.

Tepetsning shakli va holatini tahlil qilish orqali reaktsiya mexanizmlarini tashxislash.

Chiziqli suvmetriya (lsv):Bu erda potentsial bitta, chiziqli yo'nalishda, odatda oksidlash yoki potentsialni kamaytirishga olib keladi. Bu baholashning asosiy usuliKatalitik faoliyat. Potentsial funktsiyasi sifatida joriy zichlikni o'lchash orqali (geometrik zonasi yoki ECSA tomonidan normallashtirilgan joriy) LSV asosiy metrik moddalarni taqdim etadi:

Boshqaruv potentsial:Hozirgi oqim oqishi boshlanadigan potentsial; reaktsiyaning termodinamik qulayligini bildiradi.

Berilgan zichlikdagi ortiqcha (ē):Katalizator samaradorligining to'g'ridan-to'g'ri o'lchovi.

Tafel qiyaliklari:LSV egrilayotganidan olingan, kanel qiymati reaktsiya mexanizmiga chuqur tushuncha beradi. Bu - stavkani aniqlaydi (masalan, birinchi elektronni uzatish yoki shisha bosqichi - bu shisha bosilganmi).

Elektrokimyoviy nosozlik spektroskopiyasi (EIS) va potentsiostatik ey (peis):CV va LSV "DC" texnikalari bo'lsa-da, EIS - "AC" usulidir. U kichik sinusoidal potentsial potentsialni bir qator chastotalar bo'ylab olib boradi va joriy javob choralarini ko'radi. Ma'lumotlar ngquist fitnasi sifatida taqdim etiladi.PeisSoha potentsial doimiy ravishda (potentsiostatik qiymatda) o'tkaziladigan (potentsiostatik qiymatda), elektrodda - elektrodli interfeysda turli xil qarshilik ko'rsatadigan va ishlab chiqaradigan jarayonlarni iste'mol qilish uchun kuchli. Bu ajralishi mumkin:

Transferga chidamlilik (RCT):Franikaning reaktsiyasiga qarshilik; pastki rct yaxshiroq katalizatorni bildiradi.

Qarorga chidamlilik (Rs):Elektrolitning qarshiligi.

Ommaviy transport cheklovlari:Reaktiv reaktivlarning sirtiga.
EIS tashxislash uchun bebahodir (KNESHIKA VA MURAKASS transporti) ish faoliyatini cheklash va katalizik materiallarning barqarorligi va tanazzul mexanizmlarini o'rganish uchun.

3.2 Situ tavsifi usullari

An'anaviy usullar reaktsiyadan oldin katalizatorlarni yoki undan keyin tahlil qiling.Situda(yokioperanda) Ammo texnikalar, ammo katalizatorga e'tibor beringdavridaReal {{0} - mexanizmga nisbatan molekulyar - ish bilan ta'minlovchi operatsiya.

Situ Raman spektroskopiyasida:Ushbu texnikaning yorug'ligini elektrod yuzasiga porlaydi va inlastrial tarzda tarqoq nurni tahlil qiladi. Energiya smensi (Raman SHIFTS) mavjud bo'lgan kimyoviy obligatsiyalar va turdagi barmoq izlariga o'xshaydi.SitudaRamlan:

Reaktsiya yo'lini tushunish uchun juda muhim bo'lgan adsorbed oraliq turlarini (masalan, * OOH, * CO ni aniqlang.

Reaktsiya shartlari ostida katalizatorning o'zi (masalan, fazaviy o'tish, oksidlanish holatlari, oksidlanish holatlari o'zgarishi) tarkibiy o'zgartirishlarini aniqlaydi.

Situ infraqizil (IR) spektroskopiyasida:Ramlanga o'xshash IR spektroskopiyasi kimyoviy obligatsiyalar bo'yicha IR yorug'ligini aniqlaydi. ATR - Seiras kabi texnik vositalar (- - - Kengaytirilgan IR Angrish spektriysi) elektrod yuzasidagi turlarga juda sezgir. Bu juda kuchli:

Yuqori xususiyatga ega bo'lgan reaktsiyalar reaktsiyasini aniqlash va monitoring.

Sirtdagi molekulalarning yo'nalishini o'rganish.

Ramanga qo'shimcha ma'lumot berish, chunki ba'zi tebranish usullari IR - faol, ammo Ramon - va aksincha.

Birgalikda, bularsitudaAsboblar mish-mishlar harakatlanmoqda, olimlar - mexanik modellarini o'ynashni (reaktsiya paytida) (reaktsiya) bosqichida (vositachi yuzasi) ko'rsatadigan aktyorlarni (vositachilari) ko'rsatadigan vositalarni (vositachilar) ko'rsatadigan vositalarni ishlab chiqarishga imkon beradi.

Muhim taraqqiyotga qaramay, elektrotatsiya sohasi keng tarqalgan tijoratlashtirishni yoqish uchun hal qilinishi kerak bo'lgan bir nechta chuqur muammolarga duch kelmoqda.

4.1 Katalitorlik BottleNlencks
"Muqaddas Grail" katalizatorini qidirish - juda faol, mukammal tanlangan va juda bardoshli {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {{1} {juda ko'p bardoshli bo'lsa, qochib ketadi.

Faoliyat va barqarorlik savdosi - o'chirildi:Ko'pincha, eng faol materiallar (masalan, ma'lum bir nanostrizatsiya qilingan yoki bitta {{{- atom katalizozlari eng barqaror emas). Ular echimni kamaytirishi, yig'ish yoki tanqislash elektrokimyoviy operatsiyasining og'ir sharoitlari sharoitida eritmaga kamayishi mumkin. Ushbu savdo - efirni buzadigan katalizatorlarni loyihalash - bu asosiy materiallar sinovidir.

Ilg'or materiallarning massivlanishi:Ko'pgina - Protalizatsiya katalizatori, laboratoriyalarda asosiy, ko'p - - - - - - - sanoat darajasiga ko'tarilish uchun juda qiyin, ko'p - {- {- bosqichma-bosqich sintezlar sanoat darajasiga ko'tariladi. Oddiy, juda ko'p o'lchovli sintez usullarini ishlab chiqish yangi materiallarni topish kabi muhimdir.

4.2 Reaktiv mexanizmlarini etarli darajada tushunmaslik
Bizning hozirgi mexanik tushunchamiz ko'pincha to'liqsiz yoki idealizatsiyalangan tizimlardan olinadi.

Haqiqiy sharoitlarda murakkablik:Oddiy elektrolitlardagi pristin, modelli yuzalarda o'rganilgan mexanizmlar, nopokliklarni o'z ichiga olgan umumiy - Amaliy - dunyo elektrolyotlarida ishlaydigan murakkab, nanostreced katalizatorlari uchun haqiqiy emas. Elektrolitning roli (pH, Cation / Anion effektlari) o'zi ko'pincha yomon tushuniladi, ammo tanqidiy jihatdan muhimdir.

Haqiqiy faol markazlarni aniqlash:Biz tez-tez ma'lum bir xususiyatlar (kamchiliklar, bitta atomlar) bilan bog'liq bo'lgan holda, ma'lum bir sayt faol markaz ekanligini va uning elektron tuzilishini tushunish bilan aniq isbotlashimiz aniqkatalizjuda qiyin. Ushbu bo'shliqni yopish kelgusi taraqqiyotni talab qiladioperandaAtomik - miqyosli o'lchamlari bilan tavsiflash vositalari.

4.3 Sanoat dasturiga to'siqlar
Ishonchli laboratoriyadagi bo'sh laboratoriyadan -}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} at

Qurilmalar integratsiyasi va muhandislik:Katalizator - bu to'liq elektrokimyoviy hujayraning bitta tarkibiy qismi (masalan, elektrolitser yoki yoqilg'i hujayrasi). Yangi katalizator membrana yig'ish (Mea) ichiga kiritish va gaz transporti, suvni boshqarish va elektron / protonni o'tkazish uchun butun tizimni optimallashtirish katta muhandislik muammosi.

Xarajat va resurs cheklovlari:Ko'pincha ko'plab reaktsiyalar uchun eng yaxshi katalizatorlarda platina, iridium va rutenium kabi qimmatbaho metallarda mavjud. Ularning tanqisligi va yuqori xarajatlari Terawatt - miqdori bo'yicha sezilarli to'siqlardir. Intensiv tadqiqot yuqori - {}}} -} yuqori darajadagi ishlab chiqilgan katalizatorlarni -} ijro katalizatorlarini -} passivli katalizatorlarini (masalan, Fe, Co, Ni, mn) yoki qimmatbaho metallarni yuklashni keskin qisqartirishga qaratilgan.

Umrbod va tanazzul:Sanoat dasturlari o'n minglab soatlarni barqaror ishlashi mumkin bo'lgan katalizator va qurilmalarni talab qiladi. Uzoq - Tasdiqlash -- Tasdiqlash, korozitsiyani kamaytirish, korozoriya va membrana - - - {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} {{}} - va ularni yumshatish uchun tizimlarni loyihalashtirish va ularni yumshatish uchun tizimlar iqtisodiy hayotga muvofiqdir.

Elektrotaliz - bu kimyo, materiallar fanlari va muhandislik chorrahasida o'tirgan boy va jo'shqin maydon. - - - {}} - {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} - {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}}} ning amaliy markazidan innovatsiyalar uchun muhim ahamiyatga ega. Kuchli elektrokimyoviy vakili vasitudaXarakterizatsiya vositalari, tadqiqotchilar yangi materiallar dizayni bo'yicha o'zaro ta'sirga o'tishni doimiy ravishda tozalaydilar.

Ishlash, tushunish va industratsiyaning muammolari bilan bog'liq muammolar juda qiyin bo'lib qolmoqda, shuningdek, tadqiqotlarning qiziqarli chegaralaridir. Ushbu to'siqlarni bartaraf etish elektrotalizmning to'liq salohiyatini ochishda hal qiluvchi bo'ladi. Elektrodiya sayohatlari - elektrolit interfeysi davom etmoqda, bir vaqtning o'zida bitta elektron.

Iqtibosni talab qiling