Есть много проблем с электрокатализом, и моя цель на сегодняшний день сделать это учебное пособие более педагогическим, чем научным. Другими словами, я надеюсь помочь сообществу Бренды быстрее понять, каковы основные концепции и основы в этой области. Конечная цель учителья, чтобы каждый, кто слушает и, надеюсь, имел основание для понимания и просто основы, необходимые для того, чтобы можно было читать исследовательскую литературу в области электрокатализа, понимать и интерпретировать и использовать ее в своих интересах, это моя заявленная цель. Позвольте мне вначале поблагодарить министерство энергетики США за то, что они направили эту работу в научный центр как часть центра, который сейчас борется за эффективное преобразование энергии, и с этого я хотел бы начать. Получите следующий слайд, что является катализатором. Я думаю, что все в этой комнате, вероятно, знают, что такое катализатор. Но просто для ясности, давайте возьмем определение из словаря Мерриам-Вебстер. Есть два определения, что вы ищите Катализатор в первом, всеобщем смысле Что такое катализатор? 3 cat • имя • lyst \ ’ka-tə-ləst \ 1: вещество, которое позволяет химической реакции протекать обычно с большей скоростью или в других условиях (например, при более низкой температуре), чем это возможно иным образом. Я думаю, что второе определение так интересно 2: агент, который провоцирует или ускоряет значительные изменения или действия. Типичная и общепринятая схема, используемая людьми для описания катализа, показана здесь Элементарная химичес Мы можем видеть, что у нас есть начальная свободная энергия A и B бесконечно. И у нас есть заключительная стадия энергии AB, как только они объединились, чтобы сформировать эту молекулу. Ясно, что есть термодинамический выигрыш за счет снижения свободной энергии для формирования этой молекулы AB комплекса. Однако, если нет катализатора, может существовать очень большой барьер или энергия активации для преодоления A & B, прежде чем они смогут добраться до своего конечного продукта. Целью катализатора среди прочего является снижение энергии активации. Таким образом, энергия начального состояния остается той же самой, а энергия конечного состояния остается той же самой, но понизив эту энергию активации, можно ускорить этот химический процесс. Так что тут катализ будет помощью. Электрокатализаторы Электрокатализаторы, например Наночастицы Pt Топливные элементы Вода электролиз H + / e-, термохимический Широкий диапазон температур Широкий диапазон жидкостей P (водный или не водный) Почему нас это интересует, так как это превращает энергию, есть ряд реакций, которые важны для электрокализа. Мы смотрим три электрохимические реакции, которые здесь интересны в настоящее время по сценарию с энергией и земным шаром. Попробуйте катализ этой реакции эффективно. Первая реакция - реакция выделения водорода. Мы берем 2 протона и 2 электрона образуем H2. Вторая реакция, когда вы берете CO2 и протонируете, используя протоны и электроны, - это превращение их в CO2 для производства топлива и химических веществ, таких как углеводороды или спирт. Обе эти реакции являются реакциями восстановления, так как я читаю их слева направо, им нужны протоны и электроны, где вы получите их что-то дорогое и наполненное, как вода. Вы окисляете воду, чтобы получить O2, и вы получаете протоны и электроны, чтобы использовать эту 2 реакцию здесь. Итак, мы читаем эти важные реакции преобразования энергии слева направо в контексте производства топлива. Это электрохимические реакции, что означает, что у вас есть запас возобновляемого электричества. Вы можете сделать эти виды топлива возобновляемыми, чтобы вы могли соединить их с ветряной турбиной или солнечным элементом, или вы можете представить себе устройство, подобное этому, которое ведет эти типы катализа к полупроводникам. Полупроводник снова наблюдает, что солнечный свет возбуждает электроны и дыры, чтобы сделать эту реакцию окисления и восстановления. Таким образом, вы можете сделать такие вещи, как метанол и водород, кислород. Эти реакции также очень важны с энергетической точки зрения, если читать их справа налево, что будет реакцией на расход топлива. Основные виды топлива, такие как водород, спирт и углеводороды, вы хотели бы получить эту энергию с максимальной эффективностью. Конечно, вы можете сделать это в двигателе внутреннего сгорания. Но двигатель внутреннего сгорания не особенно эффективен. Вы можете получить гораздо более высокую эффективность, выполняя шаг электричества своей ячейки. Это также важно катализировать справа налево. Это не обязательно правда, что вы делаете катализацию в одном направлении, это будет хорошим катализом в другом направлении. План для этого урока • Вступление • Основы электрохимии и электрокатализа - термодинамика - кинетика - Методы исследования электрокатализа - Показатели эффективности развития электрокатализатора • Применение - два примера - Реакция выделения водорода (HER) - Реакция восстановления диоксида углерода (CO2RR) Ключевые термины в электрохимии 7 Что такое окисление? Что такое сокращение? Потеря электронов - это окисление. Получение электронов - это сокращение. Просто помните: «ЛЕВ, лев становится ГЕРРРР…» Что такое катод? Что такое анод? Восстановление происходит на катоде. Окисление происходит на аноде. Я пытался суммировать наши общие знания по химии электрохимии. Любая химическая реакция может быть прочитана как электрохимическая реакция. Положите реакцию типа А + В, идущую к АВ. А дельта G составляет -100 кл / моль. Таким образом, мы можем написать эту реакцию как электрохимические реакции на две полуреакции. Где A идет к положительному катиона плюс электрон только что окисляют он потерял электрон имеет равновесные потенциалы E1 *. Мы можем прочитать эту реакцию B + A + + - идет к AB, которая является реакцией восстановления и имеет восстановление E2 *. Если подвести итог этой реакции вы получаете предыдущую реакцию. Ключ электрохимии, который позволяет преобразовать дельта G в потенциал Ecell. °G ° = ‐100 кДж / моль = ‐nFE ° элемент Где: n = количество перенесенных электронов (всего rxn) F = постоянная Фарадея = 96,485 C / моль Смотрите следующие слайды о том, как использовать таблицы стандартных электрохимических потенциалов для расчета потенциала ячейки. Теперь, сказав, что нам нужны таблицы, можно найти их в разных местах. Я хотел бы привести пример статуи Свободы. Итак, в этом месте статуя Свободы 400 лет назад мы можем видеть, как выглядит статуя. Статуя сделана из меди. Сегодня Liberty выглядит совсем по-другому и имеет сине-зеленый цвет. Это происходит из-за процесса окисления, который произошел со временем. Медь превращается в оксид меди, в другом оксидоемном состоянии превращается в хлорид меди, сульфид меди. Так что это была статуя, собранная во Франции много лет назад вместе с ней во Франции много лет назад. Они уже довольно хорошо разработали первую батарею 5215, много достижений в электрохимии. Их беспокоило то, что не окислялась медь, они знали, что это было яблоко, о котором они на самом деле беспокоятся больше всего, это железный каркас внутри. Статуя Свободы сделана из железа, и их беспокоило то, что извне они боялись, что железо может само попасть на дорогу. Тогда статуя упадет. Шаг первый, чтобы попытаться ответить на этот вопрос о том, что может случиться с утюгом внутри? Выпишем две реакции, у нас 3 железа, степень окисления 3 электрона уходит в железо в ноль. И другая реакция меди 3 плюс 3 электрона идет к нулю меди. Основываясь на таблице, вся эта реакция является реакцией восстановления и имеет равновесные потенциалы E1 ° = –0,02 В, E2 ° = 0,34 В. Как мы можем определить, может ли железо окисляться или нет, когда оно соприкасается с его медными веществами, выходя из приложения, чтобы определить эти реакции. Шаг 2: Выберите одну реакцию для окисления, а другую - для восстановления (произвольное решение). Для этого примера давайте выберем Rxn 1 в качестве степени окисления rxn. Шаг 3: E ° ячейка = E ° катод - E ° анод. Знак минус возникает потому, что мы используем табличные данные из таблиц сокращения. А поскольку на аноде происходит окисление, знак должен быть обратным, поскольку реакция идет в обратном направлении. Ячейка E ° = E2 ° –E1 ° = 0,34 В - (–0,02 В) = 0,36 В. 3 e- - (3) (96 485 С / моль) (0,36 В) = –104 204 Дж / моль = –104,2 кДж / моль. Итак, то, что мы сделали, мы в основном взяли на вооружение электрохимические реакции, такие как анод, а один - катод, чтобы выяснить потенциал клетки. Когда мы вычисляем клеточные потенциалы, мы определяем, сколько электронов перенесено. Ключевой результат: °G ° отрицательный, поэтому общее значение rxn является спонтанным, как написано. Находя вершину реакции как анодную реакцию, фактически путь, которым природа будет идти своим чередом. Следовательно, поскольку медь окисляется снаружи, если железо находится в контакте с медью, железо само по себе окисляется, чтобы вернуть свои электроны обратно в медь, и это является спонтанной реакцией. К счастью, в 1800 году они действительно знали, как сделать все это благодаря Майклу Фарадею. Создание изоляционного материала для защиты железа от меди, которая на самом деле работает около ста лет, пока люди не обнаружили, что изоляционные материалы в конце восемнадцати сотен просто не собирались сокращать его в течение столетий. В конце 1900-х, в 1980-х, некоторые из вас, возможно, помнят, что Статуя Свободы была покрыта лесами внутри, так как строительство этих соединений и использование тефлона вместо этого продлилось бы намного дольше и делало работу по изоляции. Так что это был пример использования в реальной жизни электрохимического расчета потенциала клетки и дельта G. Давайте поговорим о катализе. Давайте посмотрим на некоторые потенциалы восстановления здесь для некоторых реакций, которые мы могли бы быть заинтересованы в катализировании. Мы получили реакцию эволюции водорода, которая определяет 0 вольт против обратимого водородного электрода. Здесь ряд интересных реакций, связанных с углекислым газом, не будет чудесным. Мы могли бы просто взять углекислый газ, который находится в воздухе прямо сейчас, когда мы дышим, и уменьшить его с помощью протонов и электронов, чтобы сделать такие вещи, как топливо и химические вещества. Это один из способов, которым мы могли бы представить себе, как избавиться от ископаемого топлива, и если его протоны приходят из воды, а электроны из возобновляемого электричества, то это возобновляемые способы производства топлива. Я хочу указать здесь, что мы смотрим на эти потенциалы восстановления для всех этих реакций восстановления CO2. Не имеет значения, производите ли вы окись углерода, метанол, метан, нанимаете алкоголь, и его потенциал фактически очень близок к потенциалу водорода. Надеемся, что мы все на одной странице, мы знаем, что означает этот потенциал равновесия. Говоря в основном, если вы дадите мне электроны определенной энергии и достаточно энергичные для активов, чтобы он мог уменьшить протоны, чтобы сделать водород в тех же самых электронах при той же энергии, вероятно, будет достаточно энергичным, чтобы работать с протоном, Стеубен уменьшит CO2 до сделать эти различные виды продуктов. Это хорошие новости из термодинамических точек. Мы собираемся запустить это все производственные реакции, как написано. Чтобы взглянуть на это, не позвольте мне с удовольствием услышать некоторые типичные данные, которые собираются в этой области. Мы изучали кинетику реакции, в которой участвуют вода и H2-O2. Точки здесь 0 и 1.23 представляют равновесные потенциалы для этой реакции. Давайте сначала доберемся до водорода. Таким образом, водород, вы можете видеть хорошую крутой диагональный обмен, который я описывал на предыдущем слайде. Тем не менее, у нас есть хорошие катализаторы революции. Платина является в значительной степени стандартом с точки зрения поверхности, но есть также фермент гидрогеназа, которая является отличным катализатором с участием h2. Если вы просто идете налево от равновесных потенциалов для этой реакции, вы просто вытягиваете очень крутой ток эволюции водорода, отрицательный ток в этой конвенции катодных реакций, являющихся отрицательным током. Если вы правы с точки зрения напряжения, начните окислять эту стадию, чтобы получить протоны и электроны.
