בפעם הראשונה, כימאים של MIT מיפו בפירוט כיצד מתרחשות העברות אלקטרונים צמודות פרוטונים על פני האלקטרודה. התוצאות שלהם יכולות לעזור לחוקרים לתכנן תאי דלק יעילים יותר, סוללות או טכנולוגיות אנרגיה אחרות. קרדיט: חדשות MIT, iStock
תובנות חדשות לגבי האופן שבו מתרחשות העברות אלקטרונים צמודות פרוטונים באלקטרודה יכולות לעזור לחוקרים לתכנן תאי דלק ואלקטרוליזרים יעילים יותר.
תגובה כימית מרכזית – שבה תנועת הפרוטונים בין פני האלקטרודה לאלקטרוליט מניעה זרם חשמלי – היא שלב קריטי בטכנולוגיות אנרגיה רבות, כולל תאי דלק והאלקטרוליזרים המשמשים לייצור גז מימן.
בפעם הראשונה, MIT כימאים מיפו בפירוט כיצד העברות האלקטרונים הצמודות לפרוטון מתרחשות על פני אלקטרודה. התוצאות שלהם יכולות לעזור לחוקרים לתכנן תאי דלק יעילים יותר, סוללות או טכנולוגיות אנרגיה אחרות.
"ההתקדמות שלנו במאמר זה הייתה לימוד והבנה של האופן שבו האלקטרונים והפרוטונים הללו מתחברים באתר פני השטח, הרלוונטי לתגובות קטליטיות שחשובות בהקשר של התקני המרת אנרגיה או תגובות קטליטיות", אומר יוג'ש סורנדרנאת, א. פרופסור לכימיה והנדסה כימית ב-MIT והמחבר הבכיר של המחקר.
בין הממצאים שלהם, החוקרים הצליחו לאתר בדיוק כיצד שינויים ב-pH של תמיסת האלקטרוליט המקיפה אלקטרודה משפיעים על קצב תנועת הפרוטונים וזרימת האלקטרונים בתוך האלקטרודה.
הסטודנט לתואר שני ב-MIT, נח לואיס, הוא המחבר הראשי של המאמר, שפורסם לאחרונה ב כימיה של הטבע. ריאן ביזבי, פוסט דוקטורט לשעבר ב-MIT; קארל ווסטנדורף, סטודנט לתואר שני ב-MIT; ואלכסנדר סודאקוב, מדען מחקר ב אוניברסיטת יילהם גם מחברי המאמר.
עוברים פרוטונים
העברת אלקטרונים מקושרת פרוטונים מתרחשת כאשר מולקולה, לעתים קרובות מים או א חוּמצָה, מעביר פרוטון למולקולה אחרת או למשטח אלקטרודה, מה שממריץ את מקבל הפרוטונים לקלוט גם אלקטרון. תגובה מסוג זה נרתמה ליישומי אנרגיה רבים.
"תגובות העברת האלקטרונים הצמודות לפרוטון נמצאות בכל מקום. הם לעתים קרובות שלבי מפתח במנגנונים קטליטיים, והם חשובים במיוחד עבור תהליכי המרת אנרגיה כגון ייצור מימן או קטליזה של תאי דלק", אומר Surendranath.
באלקטרוליזר יוצר מימן, גישה זו משמשת להוצאת פרוטונים מהמים והוספת אלקטרונים לפרוטונים ליצירת גז מימן. בתא דלק, חשמל נוצר כאשר פרוטונים ואלקטרונים מוסרים מגז מימן ומוסיפים לחמצן ליצירת מים.
הפעלת פוטנציאל חשמלי גורמת לפרוטון לעבור מיון הידרוניום (בצד ימין) אל פני האלקטרודה. באמצעות אלקטרודות עם אתרי קשירת פרוטונים מוגדרים מולקולרית, חוקרי MIT פיתחו מודל כללי לתגובות העברת האלקטרונים הצמודות לפרוטונים ממשקפיים. קרדיט: באדיבות החוקרים
העברת אלקטרונים צמודת פרוטונים נפוצה בסוגים רבים אחרים של תגובות כימיות, למשל, הפחתת פחמן דו חמצני (המרה של פחמן דו חמצני לדלקים כימיים על ידי הוספת אלקטרונים ופרוטונים). מדענים למדו הרבה על האופן שבו תגובות אלו מתרחשות כאשר מקבלי הפרוטונים הם מולקולות, מכיוון שהם יכולים לשלוט במדויק על המבנה של כל מולקולה ולבחון כיצד אלקטרונים ופרוטונים עוברים ביניהם. עם זאת, כאשר מתרחשת העברת אלקטרונים מקושרים לפרוטונים על פני האלקטרודה, התהליך הרבה יותר קשה לחקור מכיוון שמשטחי האלקטרודה הם בדרך כלל הטרוגניים מאוד, עם אתרים רבים ושונים שאליהם פרוטון יכול להיקשר.
כדי להתגבר על המכשול הזה, צוות MIT פיתח דרך לתכנן משטחי אלקטרודה המעניקה להם שליטה הרבה יותר מדויקת על הרכב משטח האלקטרודה. האלקטרודות שלהם מורכבות מיריעות של גרפן עם תרכובות אורגניות המכילות טבעת המחוברות למשטח. בקצה כל אחת מהמולקולות האורגניות הללו נמצא יון חמצן בעל מטען שלילי שיכול לקבל פרוטונים מהתמיסה שמסביב, מה שגורם לאלקטרון לזרום מהמעגל אל המשטח הגרפי.
"אנחנו יכולים ליצור אלקטרודה שאינה מורכבת ממגוון רחב של אתרים, אלא היא מערך אחיד של סוג אחד של אתרים מוגדרים היטב שיכולים כל אחד לקשור פרוטון עם אותה זיקה", אומר Surendranath. "מכיוון שיש לנו אתרים מאוד מוגדרים אלה, מה שזה איפשר לנו לעשות היה באמת לפענח את הקינטיקה של התהליכים האלה."
באמצעות מערכת זו, החוקרים הצליחו למדוד את זרימת הזרם החשמלי אל האלקטרודות, מה שאפשר להם לחשב את קצב העברת הפרוטונים ליון החמצן על פני השטח בשיווי משקל – המצב שבו שיעורי תרומת הפרוטונים לפני השטח והעברת פרוטונים חזרה לתמיסה מהמשטח שווים. הם מצאו כי ל-pH של התמיסה שמסביב יש השפעה משמעותית על קצב זה: השיעורים הגבוהים ביותר התרחשו בקצוות הקיצוניים של סולם ה-pH – pH 0, החומצי ביותר, ו-pH 14, הבסיסי ביותר.
כדי להסביר את התוצאות הללו, החוקרים פיתחו מודל המבוסס על שתי תגובות אפשריות שיכולות להתרחש באלקטרודה. בראשון, יוני הידרוניום (H3O+), הנמצאים בריכוז גבוה בתמיסות חומציות חזקות, מספקות פרוטונים לפני השטח של יוני חמצן, ומייצרים מים. בשנייה, מים מספקים פרוטונים ליוני חמצן על פני השטח, ומייצרים יוני הידרוקסיד (OH–), הנמצאים בריכוז גבוה בתמיסות בסיסיות מאוד.
עם זאת, הקצב ב-pH 0 מהיר בערך פי ארבעה מהקצב ב-pH 14, בין השאר משום שהידרוניום מוותר על פרוטונים בקצב מהיר יותר ממים.
תגובה לשקול מחדש
החוקרים גם גילו, להפתעתם, שלשתי התגובות יש קצבים שווים לא ב-pH ניטרלי 7, שבו ריכוזי הידרוניום והידרוקסיד שווים, אלא ב-pH 10, שבו ריכוז יוני הידרוקסיד הוא פי מיליון מזה של הידרוניום. המודל מציע זאת משום שהתגובה קדימה הכוללת תרומת פרוטונים מהידרוניום או מים תורמת יותר לקצב הכולל מאשר התגובה לאחור הכוללת הסרת פרוטונים על ידי מים או הידרוקסיד.
המודלים הקיימים של האופן שבו תגובות אלו מתרחשות במשטחי אלקטרודה מניחים שהתגובות קדימה ואחורה תורמות באופן שווה לקצב הכולל, כך שהממצאים החדשים מצביעים על כך שייתכן שיהיה צורך לשקול מחדש את המודלים הללו, אומרים החוקרים.
"זו הנחת ברירת המחדל, שהתגובות קדימה ואחורה תורמות באותה מידה לקצב התגובה", אומר Surendranath. "הממצא שלנו הוא באמת פוקח עיניים כי זה אומר שההנחה שאנשים משתמשים בה כדי לנתח כל דבר, החל מקטליזה של תאי דלק ועד אבולוציה של מימן עשויה להיות משהו שעלינו לבדוק מחדש."
החוקרים משתמשים כעת במערך הניסוי שלהם כדי לחקור כיצד הוספת סוגים שונים של יונים לתמיסת האלקטרוליט המקיפה את האלקטרודה עשויה להאיץ או להאט את קצב זרימת האלקטרונים הצמודים לפרוטונים.
"עם המערכת שלנו, אנחנו יודעים שהאתרים שלנו קבועים ולא משפיעים זה על זה, אז אנחנו יכולים לקרוא מה השינוי בפתרון עושה לתגובה על פני השטח", אומר לואיס.
המחקר מומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי למדעי האנרגיה הבסיסיים.
