 |
Energiakutatási szempontból fontos elektrokémiai folyamatok vizsgálata
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
124079 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Vesztergom Soma |
| magyar cím |
Energiakutatási szempontból fontos elektrokémiai folyamatok vizsgálata |
| Angol cím |
Studying Electrochemical Processes Having a Key Role in Energy Conversion and Storage |
| magyar kulcsszavak |
szén-dioxid redukció, elektrokémiai hidrogénfejlődés, elektrokatalízis |
| angol kulcsszavak |
carbon dioxide electroreduction, electrochemical hydrogen evolution, electrocatalysis |
| megadott besorolás |
| Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Elektrokémia |
|
| zsűri |
Kémia 1 |
| Kutatóhely |
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| projekt kezdete |
2017-10-01 |
| projekt vége |
2020-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
15.219 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.10 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatási program célja az elektrokémia bizonyos, gyakorlati szempontból is kiemelkedően fontos, de ugyanakkor alapkutatási jelentőséggel is bíró kérdéseinek körüljárása, különös tekintettel a szén-dioxid elektrokémiai redukciójával és az elektrokémiai hidrogénfejlődés mechanizmusával kapcsolatban.
A szén-dioxid elektrokémiai redukálhatósága nemcsak azért fontos kérdés, mert általa hasznosítható termékek (hangyasav, metanol stb.) nyerhetők, hanem mert egy elektrokatalitikus elven működő, hatékony redukciós technológia hosszú távon a légköri szén-dioxid (üvegházhatású gáz) koncentrációjának csökkentését is lehetővé teheti. A program keretében a szén-dioxid elektrokémiai redukcióját különböző katalizátorokon (hosszabb távon esetleg nemvizes közegekben, pl. ionfolyadékokban is) tervezem vizsgálni.
Hasonlóan fontos probléma az elektrokémiai hidrogénfejlődés vizsgálata fémek felületén. E reakciónak nyilvánvaló szerep jut az energiafejlesztésben – gondoljunk például a „hidrogén alapú gazdaság” egyik kulcskérdésére, a tüzelőanyagcellák fejlesztésére. Emellett azonban a hidrogénfejlődésre lényeges úgy is tekinteni, mint egyes ipari folyamatok (pl. a mikroelektronikai fémleválasztás) kísérő jelenségére: a mechanizmus jobb megértése ez esetben az említett folyamatok optimalizálásának kulcskérdése lehet.
A pályázott kutatási program mindkét fent említett kérdésben már megkezdett kutatások folytatását tűzi ki célul, együttműködésben a Berni Egyetem Felületi Elektrokémiai Laboratóriumával. Az eddig informális jellegű együttműködésben már több közös publikáció is született, amelyek megtalálhatók a pályázati anyaghoz csatolt közlemények listájában.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A szén-dioxid elektrokémiai redukciójával kapcsolatos kutatásokban fontos előrelépést jelenthet olyan katalizátorok kifejlesztése, amelyek viszonylag kis energiabefektetés mellett megfelelő hozamban képesek biztosítani a kívánt termékek keletkezését. Egy elektrokatalitikus folyamat során azonban mindig szükséges vizsgálni azt is, hogy maga a katalizátor milyen kémiai és szerkezeti változásokat szenved a katalizált folyamat közben, illetve, hogy ezek milyen hatást fejtenek ki a termékarányra és -hozamra. Ón-dioxid nanorészecske katalizátorok kapcsán e kérdéseket előzetesen már vizsgáltuk; e kutatásokat a katalizátor stabilitásvizsgálatával tervezem folytatni.
A szén-dioxid redukciójának szintén fontos kérdése lehet a folyamat közegének megfelelő megválasztása. Tudott ugyanis, hogy bizonyos szerves oldószerekben a szén-dioxid oldhatósága igen nagy. Ugyanakkor a víz mint reakciópartner bizonyos mennyiségű jelenléte még e közegekben is szükséges egy megfelelő hatékonyságú redukcióhoz. Mindezt acetonitriles közegű vizsgálatokkal már igazoltuk, de a problémát a jövőben ionfolyadékos közegekben is vizsgálnám.
A hidrogénfejlődés mechanizmusát elsősorban a fémleválasztás technikai igényeit szem előtt tartva közelíteném. A hidrogénfejlődés, amely számos fémleválasztási folyamat kísérő reakciója, gyakran felelős az elektródfelület környezetében bekövetkező pH emelkedéshez, e folyamat kísérleti és elméleti vizsgálata tehát a fémleválasztás optimalizálásának fontos kérdése.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A „szén-dioxid probléma” napjaink egyik talán legfontosabbnak tartott és leginkább kutatott tudományos kérdése. Az atmoszféra egyre növekvő szén-dioxid (CO2) tartalma és a globális felmelegedés között egyértelmű korreláció figyelhető meg, és így valószínűsíthető, hogy az emberi tevékenységnek köszönhető CO2 kibocsátás felelőssé tehető a klímaváltozásért is. Ennek fényében a CO2 légköri koncentrációjának csökkentését, illetve a CO2 hasznosítható termékekké alakítását célzó technológiák szerepe felértékelődik. Az ún. karbonszekvesztráció egyik lehetséges eszköze a CO2 elektrokémiai redukciója, és a pályázat ezzel a társadalmi szempontból is fontos kérdéssel foglalkozik. (Itt megjegyzendő, hogy egy olyan hagyományosan „termodinamikailag stabilnak” tekintett molekula, mint a CO2 reakcióba vitele alapkutatási szempontból is érdekes kihívás.) A pályázat témájában persze nem egyedi, hiszen számos hazai és külföldi kutatócsoport foglalkozik a CO2 redukció problémájával, és az ezzel kapcsolatos publikációk száma is igen magas. Ez nem csoda, hiszen számos olyan anyag létezik (ilyenek például egyes fémoxid rétegek vagy nanorészecskék), amelyek felületén a CO2 redukciója irányítottan mehet végbe, és így ezeket katalizátorként használva egy elektrokémiai folyamatban, bizonyos termékek nagy hatásfokkal állíthatók elő. A szakirodalom ugyanakkor meglepően keveset foglalkozik a katalizátorok stabilitásának kérdésével, amit (már megkezdett kutatások folytatásaként) mi kiemelten vizsgálnánk.
A pályázat másik célja egy szintén fontos elektrokémiai folyamatnak, a katódos hidrogénfejlődésnek a vizsgálata. A hidrogénfejlődés mechanizmusának mélyebb megértése több szempontból is lényeges: egyrészt, mert az elektrokémiai hidrogéntermelésnek már most nagy szerep jut az energiatárolással kapcsolatos kutatásokban; másrészt, mert e folyamat sok technológiai eljárás során jelentkezik zavaró mellékreakcióként. Ilyen például az elektrotechnikai célú fémleválasztás, ahol a nem kívánt hidrogénfejlődés a leválasztott fém ridegedését okozhatja, illetve – mivel a folyamat közben a katód környékének pH-ja megemelkedhet – a leválasztott rétegekben fém-oxid és -hidroxid szemcsék megjelenéséhez és így az ellenállás megnövekedéséhez vezethet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A fenntartható fejlődés problémája a tudomány művelői mellett egyre inkább foglalkoztatja a társadalom egészét is. Nem kell kutatónak lenni ahhoz, hogy pl. a globális energiaválság vagy a klímaváltozás fenyegetéséről halljunk. E problémák megoldása vagy legalábbis megértése viszont egyértelműen a természettudományokkal foglalkozók feladata és felelőssége, és az elektrokémia tudományterületének itt kiemelkedő szerep jut.
E pályázat célja elsősorban két elektrokatalitikus folyamatnak, a szén-dioxid elektrokémiai redukciójának és az elektrokémiai hidrogénfejlődésnek a vizsgálata. A szén-dioxid redukciója két okból is a kutatások fókuszában álló probléma. Az egyik ok, hogy e folyamat révén a sok gazdasági értékkel egyébként nem bíró szén-dioxidot hasznosabb, az iparban is felhasználható anyagokká (például szerves vegyületekké) alakíthatnánk; a másik, hogy egy elektrokémiai redukción alapuló jövőbeli technológia segítségével a légköri szén-dioxid koncentrációját (amely üvegházhatású gázként a globális felmelegedés egyik legfőbb felelőse) valamelyest csökkenthetnénk.
Hasonlóan érdemes lehet a hidrogén gáz elektrokémiai előállításainak lehetőségét is vizsgálni. Egyrészt az ezzel nyert hidrogén gyakorlatilag „tiszta” (azaz a környezetet nem szennyező) energiaforrás lenne, de a különböző fémeken történő hidrogénfejlődés folyamata más szempontból is figyelmet érdemel. Tudott ugyanis, hogy ez a folyamat bizonyos – pl. a mikroeletronikai iparban is használt – fémleválasztási technológiák zavaró mellékreakciója, így a hidrogénfejlődés mechanizmusának mélyebb megismerése elősegítheti e folyamatok optimalizálását és így például a számítástechnikai eszközök méretcsökkentését.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The proposed research targets two important topics of electrochemistry —electrochemical carbon dioxide reduction and hydrogen evolution—, both with relevance to practical and fundamental science.
The vision of chemically transforming carbon dioxide (CO2) into organic molecules on a large scale offers a very attractive way to decrease atmospheric CO2 concentrations. The products of CO2 reduction —light-weight molecules such as carbon monoxide, formic acid or methanol— could either be used as chemical feed-stock and turned into other value-added products, or be used as fuels themselves. Either way, the electrochemical reduction of an inert molecule such as CO2 has a very considerable practical and fundamental appeal. The proposed research aims to study CO2 electroreduction on new catalyst materials and in different reaction media. By the use of state-of-the-art operando spectroscopic techniques its primary target is to understand the stability and degradation of catalyst materials.
The project also aims to study the mechanism of electrochemical hydrogen evolution reaction (HER), a process already extensively researched because of its prominent role in energy storage. The focus in our case is, however, different as we are primarily interested in HER as a side-process of electrochemical metal deposition (e.g., in the microelectronic industry). In this case understanding the mechanism of HER can lead to important technological improvements.
Both of the above research topics are planned to be conducted in cooperation with the Interfacial Electrochemistry Group of the University of Berne, in the form of continuing an already well-established informal collaboration.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The primary objective of studying the electrochemical reduction of CO2 is to identify catalyst materials that, under well-chosen experimental conditions, can yield a desired product with good selectivity and efficiency. It is also important, however, to understand structural and chemical changes that a catalyst may itself undergo in the course of the catalyzed process. Operando spectroscopic techniques are of great value in this context because they provide means for a real-time observation of catalysts and for establishing important structure-activity (selectivity) relations. The problem of stability in electrocatalytic processes is often overlooked in the scientific literature, and the proposed research plan aims to fill this gap. Based on some existing and already published results we shall use operando spectroscopies in order to explore important stability issues of certain catalysts such as tin dioxide in a nanoparticulate form.
As for HER, we are primarily interested in understanding the mechanism from the point of view of base metal electroplating. Hydrogen evolution can take place in mildly acidic reaction media by two processes: by the reduction of protons and that of water molecules. Both processes lead to an increased pH in the vicinity of the cathode surface and may cause the formation of insoluble metal hydroxides. Metal hydroxide particles, when incorporated to the deposited metal layer can cause severe changes in the layer’s physical properties and may lead to a higher electrical resistivity. Understanding HER (by the use of electrochemical measuring techniques and by computer-aided modelling) thus has a key role in optimizing metal plating processes.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
To preserve the environment from the consequences of global warming and other effects linked to anthropogenic CO2 emissions is one of the greatest challenges facing our society today. Technologies that can potentially lead to a decrease of atmospheric CO2 concentrations thus became extremely important, and many of these technologies are based on electrochemical reduction. The number of scientific papers describing new catalyst materials for CO2 electroreduction, amongst them various metal oxides, is ceaselessly rising, yet it seems that issues related to the stability of catalysts often skip researchers’ attention. When stability does come into question, the majority of scientific workers tend to rely on ex-situ spectroscopic characterization (performed before and after an electrolysis process) in order to explain activity or selectivity variations based on structural changes. As opposed to this approach, we suggest the use of operando spectroscopies for monitoring the structural and chemical changes that catalysts undergo in the course of the catalyzed process. Within the proposed research, operando spectroscopic techniques will be used to monitor tin-dioxide and related catalysts in either a film or in a nanoparticulate form and in various (aqueous and non-aqueous) media.
Another aim of the research is to explore the mechanism of electrochemical hydrogen evolution on technologically important base metals. HER is an extensively studied reaction due to its prominent role in energy storage, but it is also known to be an important (and often unwanted) side-reaction of metal plating processes. In base metal electroplating HER does not only decrease energy efficiency, but it is also responsible for the elevation of near-surface pH. This effect is of serious concern, e.g., from point of view of the microelectronic industry, since it can lead to the formation of insoluble metal hydroxides that, when incorporated to the deposited metal layer, increase its electrical resistance. Understanding the mechanism of hydrogen evolution is thus a key step of process optimization.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The sustainability of technological development is a matter that concerns the global society. One does need to be a scientist to hear about the threats of global energy crisis or climate change. To find solutions to these problems is however the responsibility of researchers, and electrochemistry is a key research field of developing technologies for a sustainable future.
This research plan is targeted at studying two electrocatalytic processes (the electrochemical reduction of carbon dioxide and electrochemical hydrogen evolution), both having extreme technological importance. The electrochemical carbon dioxide does not only make it possible to convert this otherwise useless (and even harmful) gas to value-added products, but it may also become a promising future technology of reducing atmospheric carbon dioxide levels and thus to do against global warming.
Similarly, to understand the mechanism of electrochemical hydrogen evolution is of utmost technological importance. The product of the process (hydrogen gas) would be a “pure” energy source of no carbon footprint, but hydrogen evolution is also important in many industrial processes as well. For example, in case of microelectronic industry hydrogen evolution is an (unwanted) reaction of various metal plating processes. A more detailed understanding of the mechanism of hydrogen evolution can in this case yield to a continued size decrease of IT products.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
