Effetti drogati dei metalli di transizione per la stabilizzazione cristallina degli ossidi di cerio con calcolo del primo principio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10103 (2022) Citare questo articolo

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Negli ultimi anni, l’energia dell’idrogeno ha attirato l’attenzione ed è stata condotta la produzione di gas idrogeno utilizzando l’energia termica solare. Gli studi di Kodama et al. è stato riferito che la reazione ciclica può produrre in modo efficiente il gas idrogeno attraverso una reazione redox termica in due fasi con l'ossido di cerio. Il drogaggio del metallo di transizione nell'ossido di cerio ha migliorato l'efficienza della reazione. Abbiamo considerato l'effetto drogante sulla reazione redox termica in due fasi. Come risultato del calcolo con il metodo DV-Xα, è stato chiarito che l'ossido di cerio drogato diventa un legame forte, l'elevato valore BOP senza modificare la struttura cristallina di ceria nella reazione redox termica a due fasi. I risultati del calcolo teorico corrispondevano al miglioramento dell'efficienza della reazione termica nei risultati sperimentali.

Negli ultimi giorni, la produzione globale di gas idrogeno è di circa 700 miliardi di Nm3, sufficienti a fornire carburanti per oltre 600 milioni di veicoli a celle a combustibile. Tuttavia, circa la metà del gas idrogeno è costituito da gas naturale. Quasi 1/3 dell'idrogeno è costituito dal petrolio greggio nelle raffinerie. E la maggior parte del gas idrogeno viene consumato nelle raffinerie1. In questo contesto, sono stati riportati anche molti studi sulla produzione sostenibile dell'energia dell'idrogeno dall'energia solare termica, concentrandosi sull'energia solare che può essere utilizzata in modo permanente2,3,4,5. L'energia solare irradia energia dal sole alla terra, costituita da energia rinnovabile. Equivale a circa 4 milioni di EJ (1 EJ = 1018 J) all’anno6.

La quantità di energia teoricamente estratta potrebbe essere di circa 19.000 EJ, ​​e si stima che la quantità di energia che può essere tecnicamente estratta sia solo di circa 1900 EJ. Si stima inoltre che nella vita umana consumi circa 20 EJ di energia all’anno. Se potessimo convertire una grande quantità di energia solare in altra energia, potremmo ottenere energia sufficiente per la nostra vita7. Quindi ha senso utilizzare l’energia solare per la produzione di energia dall’idrogeno. Inoltre, sono stati condotti vari studi sulla catena di fornitura, come il trasporto e l'esercizio8. Il gas idrogeno viene anche trasportato tramite cisterne e camion dopo essere stato convertito in idrogeno liquido o combustibili liquidi come metanolo, ammoniaca e metilcicloesano (MCH). Anche le basi per la produzione di energia da idrogeno stanno facendo progressi significativi, quindi l’importanza della produzione di energia da idrogeno è in aumento1,9,10. Negli esperimenti di laboratorio11,12,13,14,15,16 sono stati condotti molti esperimenti dimostrativi sulla produzione di gas idrogeno utilizzando concentratori solari beam down17,18,19,20 e si prevede che la commercializzazione della produzione di gas idrogeno diventerà possibile.

Nella produzione di gas idrogeno viene utilizzata una reazione redox termica in due fasi. La reazione redox termica in due fasi è una reazione redox ciclica costituita da una reazione di riduzione (1° passaggio: Eq. 1) con desorbimento di ossigeno ad alte temperature (> 1000 ℃) e una reazione di ossidazione (2° passaggio: Eq. 2) con ossigeno assorbimento a basse temperature (< 1000 ℃). Nella reazione di ossidazione termica (2a fase), è possibile decomporre le molecole d'acqua e produrre in modo efficiente gas idrogeno sotto vapore ad alta temperatura14.

Oltre alla reazione di produzione dell'idrogeno, la reazione redox termica può essere utilizzata anche per il reforming della CO2 del metano21,22, quindi l'applicazione della reazione redox termica a due fasi è ampia.

Nella reazione redox termica in due fasi, vari ossidi metallici sono stati utilizzati come ceramiche di reazione catalitica per migliorare l'efficienza della produzione di gas idrogeno. Ehrhart et al. hanno utilizzato l'ercinite (FeAl2O4) all'inizio dello studio sulla produzione di gas idrogeno23. Wong et al. hanno esplorato materiali per l'accumulo di calore termochimico (TCS) utilizzando reazioni redox termiche in Co3O4/CoO e Mn2O3/Mn3O424. Anche altri gruppi di ricerca hanno segnalato le reazioni redox termiche in due fasi come Mn2O3/Mn3O4, Co3O4/CoO e CuO/Cu2O25,26,27,28,29. Kodama et al. hanno segnalato vari materiali che producono idrogeno utilizzando Fe3O4/c-YSZ, NiFe2O430, NiFe2O4/m-ZrO2, Fe3O4/m-ZrO231, Fe3O4/m-ZrO2/MPSZ32,33. Tra questi esperimenti, negli ultimi anni è stata promossa la ricerca sull'ossido di cerio34,35,36,37. L'ossido di cerio è un tipo di ossido lantanoide (CeO2) utilizzato come materiale per la capacità di stoccaggio dell'ossigeno (OSC). Si è scoperto che veniva applicato a un catalizzatore e a una reazione redox termica in due fasi.