חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו פיתחו שיטה חדשה לחזות את הביצועים של זרזים מולקולריים של מתכת-חנקן-פחמן (MNC), החיוניים לקידום טכנולוגיית תאי הדלק. המחקר שלהם מדגיש כלי חיזוי חדש המסתמך על הדמיות מחשב כדי לחקור את האינטראקציות בין שדות חשמליים ורמות pH. פריצת דרך זו מספקת מסלול יעיל יותר לפיתוח זרזים הפועלים ביעילות בתנאים סביבתיים שונים, ועלולים להתגבר על אחד המכשולים העיקריים באימוץ נרחב של טכנולוגיית תאי דלק.
חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו המציאו שיטה לחזות את הביצועים של זרזים חדשים לתאי דלק, מה שעלול להאיץ את הפיתוח של פתרונות אנרגיה נקייה יעילים יותר.
חוקרי אוניברסיטת טוהוקו יצרו אמצעי אמין לחזות את הביצועים של סוג חדש ומבטיח של זרז. פריצת הדרך שלהם תאיץ את הפיתוח של זרזים יעילים לסביבות אלקליות וחומצות כאחד, ובכך תחסוך זמן ומאמץ במאמצים עתידיים ליצור תאי דלק טובים יותר.
פרטים על המחקר שלהם פורסמו לאחרונה בכתב העת מדע כימיה.
מבנים של זרזים מולקולריים של Fe-Azaphthalocyanines (AzPc) ארוכי שרשרת. לאחר הרפיה גיאומטרית DFT עם יותר מ-650 אטומים, הופיעו "דפוסי ריקוד" שונים עקב האינטראקציות המשתנות בין שרשראות הצד המולקולריות למצע הגרפן. קרדיט: Hao Li, Hiroshi Yabu ועוד.
טכנולוגיית תאי דלק הוכתרה לעתים קרובות כפתרון מבטיח לאנרגיה נקייה; עם זאת, בעיות ביעילות הזרז עצרו את אימוצו הרחב.
זרזים מולקולריים של מתכת-חנקן-פחמן (MNC) מתהדרים בתכונות מבניות ייחודיות ובביצועים אלקטרוקטליטיים מצוינים, במיוחד עבור תגובת הפחתת החמצן (ORR) בתאי דלק. הם מציעים חלופה חסכונית לזרזים מבוססי פלטינה.
מאפיינים ייחודיים של זרזי MNC
גרסה אחת כזו של זרזי MNC הם אזפתלוציאנין (AzPc) המסומם במתכת. אלה בעלי תכונות מבניות ייחודיות, המאופיינות בקבוצות פונקציונליות מתיחה ארוכות. כאשר זרזים אלה מונחים על מצע פחמן, הם לובשים צורות תלת מימדיות, בדומה לרקדן המוצב על במה. שינוי צורה זה משפיע על כמה טוב הם פועלים עבור ORR ברמות pH שונות.
עקומות קיטוב RDE ניסיוניות מסופקות ב-pH = 1 ו-pH = 13. נתון זה מציע השוואה ישירה בין הפוטנציאל הניסיוני לחצי-גל המדומה. קרדיט: Hao Li, Hiroshi Yabu ועוד.
ובכל זאת, תרגום המאפיינים המבניים המועילים הללו לביצועים מוגברים הוא אתגר, כזה שדורש מודלים, תיקוף וניסויים משמעותיים, שהם עתירי משאבים.
"כדי להתגבר על זה, השתמשנו בסימולציות ממוחשבות כדי ללמוד כיצד הביצועים של זרז Fe-AzPcs הנתמך בפחמן לתגובות הפחתת חמצן משתנים עם רמות pH שונות, על ידי הסתכלות על האופן שבו שדות חשמליים מתקשרים עם ה-pH ועם הקבוצה התפקודית שמסביב", אומר האו לי, פרופסור חבר במכון המתקדם לחקר חומרים (WPI-AIMR) של אוניברסיטת טוהוקו ומחבר המקביל של המאמר.
מודלים של הר געש ORR תלויי pH ועיקומי LSV המדומים של נגזרות Fe-AzPc. הרי געש תלויי שדה pH. הצד השמאלי והימני של פס הצבעים מייצגים את המתאם בין השדה החשמלי ל-pH. נתון זה משמש אמות מידה לניסויים שלנו. קרדיט: Hao Li, Hiroshi Yabu ועוד.
בניתוח ביצועי Fe-AzPcs ב-ORR, Li ועמיתיו שילבו מבנים מולקולריים גדולים עם סידורי שרשרת מורכבים, או 'דפוסי ריקוד', עם סידורים של למעלה מ-650 אטומים.
באופן מכריע, הנתונים הניסויים גילו שהמודלים המיקרו-קינטיים המזוהים עם שדה ה-pH תואם באופן הדוק את יעילות ה-ORR שנצפה.
"הממצאים שלנו מצביעים על כך שהערכת העברת המטען המתרחשת באתר ה-Fe, שבו ה-Fe אָטוֹם בדרך כלל מאבד כ-1.3 אלקטרונים, יכול לשמש שיטה שימושית לזיהוי קבוצות פונקציונליות מתאימות ל-ORR", מוסיף לי. "יצרנו למעשה ניתוח אמת מידה ישיר עבור המודל המיקרו-קינטי כדי לזהות זרזי MNC יעילים עבור ORR בתנאי pH שונים."
