Das Team erstellt eine Karte für die Produktion umweltfreundlicher Metalle

In Arbeiten, die effizientere, umweltfreundlichere Prozesse zur Herstellung wichtiger Metalle wie Lithium, Eisen und Kobalt einleiten könnten, haben Forscher des MIT und SLAC kartiert, was auf atomarer Ebene hinter einem besonders vielversprechenden Ansatz namens Metallelektrolyse passiert.

Durch die Erstellung von Karten für eine breite Palette von Metallen bestimmten sie nicht nur, welche Metalle mit diesem Ansatz am einfachsten zu produzieren waren, sondern identifizierten auch grundlegende Hindernisse für die effiziente Produktion anderer. Damit könnte die Karte der Forscher zu einem wichtigen Designtool werden, um die Produktion all dieser Metalle zu optimieren.

Die Arbeit könnte auch die Entwicklung von Metall-Luft-Batterien unterstützen, Verwandte der Lithium-Ionen-Batterien, die in heutigen Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Die meisten Metalle, die heute für die Gesellschaft von entscheidender Bedeutung sind, werden aus fossilen Brennstoffen hergestellt. Diese Brennstoffe erzeugen die hohen Temperaturen, die notwendig sind, um das ursprüngliche Erz in sein gereinigtes Metall umzuwandeln. Aber dieser Prozess ist eine bedeutende Quelle von Treibhausgasen – allein auf Stahl entfallen rund sieben Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen. Infolgedessen arbeiten Forscher aus der ganzen Welt daran, umweltfreundlichere Wege für die Herstellung von Metallen zu finden.

Ein vielversprechender Ansatz ist die Metallelektrolyse, bei der ein Metalloxid, das Erz, mit Strom gezappt wird, um reines Metall mit Sauerstoff als Nebenprodukt zu erzeugen. Das ist die Reaktion, die auf atomarer Ebene in der aktuellen Forschung untersucht wird, über die in der Ausgabe der Zeitschrift vom 8. April 2022 berichtet wird Chemie der Materialien.

Donald Siegel ist Lehrstuhlinhaber und Professor für Maschinenbau an der University of Texas at Austin. Sagt Siegel, der an dem nicht beteiligt war Chemie der Materialien Studie: „Diese Arbeit ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Effizienz der Metallherstellung aus Metalloxiden. Sie klärt unser Verständnis von kohlenstoffarmen Elektrolyseprozessen, indem sie die zugrunde liegende Thermodynamik auf elementare Metall-Sauerstoff-Wechselwirkungen zurückführt. Ich erwarte, dass diese Arbeit helfen wird.“ bei der Erstellung von Designregeln, die diese industriell wichtigen Prozesse unabhängiger von fossilen Brennstoffen machen.“

Yang Shao-Horn, JR East Professor of Engineering am Department of Materials Science and Engineering (DMSE) des MIT und am Department of Mechanical Engineering des MIT, leitet die aktuelle Arbeit mit Michal Bajdich vom SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien.

„Hier wollen wir ein grundlegendes Verständnis aufbauen, um die Effizienz der elektrochemischen Metallproduktion und von Metall-Luft-Batterien vorherzusagen, indem wir berechnete thermodynamische Barrieren für die Umwandlung zwischen Metall und Metalloxiden untersuchen“, sagt Shao-Horn, der im Forschungsteam für Das neue Zentrum für Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Industrie des MIT, ein Gewinner des allerersten Climate Grand Challenges-Wettbewerbs des Instituts. Shao-Horn ist auch mit dem Materials Research Laboratory und dem Research Laboratory of Electronics des MIT verbunden.

Neben Shao-Horn und Bajdich sind Jaclyn R. Lunger, Erstautorin und DMSE-Doktorandin, sowie Naomi Lutz und Jiayu Peng weitere Autoren des Artikels Chemistry of Materials. Lutz erhielt 2022 ihren Bachelor-Abschluss vom MIT in Maschinenbau. Peng ist DMSE-Doktorandin.

Andere Anwendungen

Die Arbeit könnte auch die Entwicklung von Metall-Luft-Batterien wie Lithium-Luft-, Aluminium-Luft- und Zink-Luft-Batterien unterstützen. Diese Verwandten der Lithium-Ionen-Batterien, die in heutigen Elektrofahrzeugen verwendet werden, haben das Potenzial, die Luftfahrt zu elektrifizieren, da ihre Energiedichten viel höher sind. Sie sind jedoch aufgrund verschiedener Probleme, einschließlich Ineffizienz, noch nicht auf dem Markt.

Auch das Laden von Metall-Luft-Batterien beinhaltet Elektrolyse. Infolgedessen könnte das neue Verständnis dieser Reaktionen auf atomarer Ebene nicht nur Ingenieuren helfen, effiziente elektrochemische Wege für die Metallherstellung zu entwickeln, sondern auch effizientere Metall-Luft-Batterien zu entwerfen.

Von der Wasserspaltung lernen

Elektrolyse wird auch verwendet, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten, der die entstehende Energie speichert. Dieser Wasserstoff wiederum könnte eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen werden. Da über die Wasserelektrolyse, dem Schwerpunkt von Bajdichs Arbeit am SLAC, viel mehr bekannt ist als über die Elektrolyse von Metalloxiden, verglich das Team erstmals die beiden Verfahren.

Das Ergebnis: „Langsam haben wir die elementaren Schritte der Metallelektrolyse aufgedeckt“, sagt Bajdich. Die Arbeit sei herausfordernd gewesen, sagt Lunger, denn „uns war unklar, was das für Schritte sind. Wir mussten herausfinden, wie man von A nach B kommt“, oder von einem Metalloxid zu Metall und Sauerstoff.

Alle Arbeiten wurden mit Supercomputer-Simulationen durchgeführt. „Es ist wie ein Sandkasten voller Atome, und dann spielen wir mit ihnen. Es ist ein bisschen wie Lego“, sagt Bajdich. Genauer gesagt untersuchte das Team verschiedene Szenarien für die Elektrolyse mehrerer Metalle. An jedem waren unterschiedliche Katalysatoren beteiligt, Moleküle, die die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöhen.

„Um die Reaktion zu optimieren, will man den Katalysator finden, der sie am effizientesten macht“, sagt Lunger. Die Karte des Teams ist im Wesentlichen ein Leitfaden für die Entwicklung der besten Katalysatoren für jedes unterschiedliche Metall.

Was kommt als nächstes? Lunger stellte fest, dass sich die aktuellen Arbeiten auf die Elektrolyse reiner Metalle konzentrierten. „Mich interessiert, was in komplexeren Systemen mit mehreren Metallen passiert. Können Sie die Reaktion effizienter gestalten, wenn Natrium und Lithium oder Cadmium und Cäsium vorhanden sind?“