Collaborative Research:Advancing strategies for in-situ determination and spatial mapping of components within membrane systems for energy conversion

合作研究:推进能量转换膜系统内成分的原位测定和空间绘图策略

基本信息

  • 批准号:
    1922956
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30.23万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-15 至 2024-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Electrochemical systems, such as fuel cells and electrolyzers, have a central role in the development of electric vehicles and systems for renewable energy conversion, and recent revolutionary impact on specialty chemical synthesis. In striving to improve the selectivity and energy efficiency of electrochemical systems, techniques to directly study the reactions at electrodes under operating conditions have long been sought for the rapid diagnosis of the limiting processes. This project will advance in-situ characterization methods that profile the distribution of chemical components within membranes and membrane-catalyst components at high resolution. The project outcomes will aid the design of next-generation membranes for electrochemical systems. The project will also engage students across all levels in research and integrate research with mentoring, education and outreach. The project will strengthen institutional outreach activities targeting female and underrepresented minority students in middle schools and high schools. The investigators will enrich their programs with the addition of peer-mentoring components to the Mother-Daughter program (TTU and Lubbock American Association of University Women) and the Curie Club (U Utah) that aim to increase retention of students in STEM. By applying their professional scientific experiences, the PIs are helping to encourage retention of STEM students and impact underserved groups in their regions.In the study of bipolar membranes, the phenomena of ion-depletion, water accumulation, and water-splitting will be investigated under the applied voltages and transmembrane pH gradients that are of practical interest for catalytic reaction optimization. A membrane system, based on spin-castable ion-exchange polymers and deuterium isotope labeled mobile ions, will be constructed for neutron reflectometry measurements to enable attainment of spatial resolution approaching 1 nm in profiling the interface separating anion- and cation-exchange phases. Results will provide benchmarks for furthering the mass transport and kinetic models that guide strategies for improving device energy conversion efficiency. In another project example involving biocatalytic membrane applications, a multi-catalytic cascade utilizing nitrogenase enzymes for N2 reduction will be assembled through the use of redox polymers that facilitate electron transfer and ?wiring? of enzymes within the electrode assembly. In-situ spatial mapping of membrane composition will guide modifications, based on pendant phenathiazine moieties, for the dual role of electron transport mediation to nitrogenase and O2 scavenging in a separate, enzyme-free electrode capping layer. The capping layer will mitigate nitrogenase sensitivity toward O2 and support efforts toward the important goal of constructing ambient temperature N2 to NH3 conversion platforms capable of operation in air. All neutron reflectometry measurements will be conducted in collaboration with the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
燃料电池和电解槽等电化学系统在电动汽车和可再生能源转换系统的开发以及最近对特种化学合成的革命性影响中发挥着核心作用。为了努力提高电化学系统的选择性和能量效率,长期以来一直在寻求直接研究操作条件下电极反应的技术,以快速诊断限制过程。该项目将推进原位表征方法,以高分辨率描绘膜内化学成分和膜催化剂成分的分布。该项目的成果将有助于设计用于电化学系统的下一代膜。该项目还将吸引各个级别的学生参与研究,并将研究与指导、教育和推广相结合。该项目将加强针对初中和高中女性和代表性不足的少数族裔学生的机构外展活动。研究人员将在母女项目(TTU 和拉伯克美国大学女性协会)和居里俱乐部(犹他大学)中增加同伴辅导的内容,从而丰富他们的项目,旨在提高 STEM 学生的保留率。通过运用他们的专业科学经验,PI 正在帮助鼓励 STEM 学生的保留并影响其所在地区服务不足的群体。在双极膜的研究中,离子消耗、水积累和水分解现象将在以下条件下进行研究施加的电压和跨膜 pH 梯度对于催化反应优化具有实际意义。将构建基于可旋转浇铸离子交换聚合物和氘同位素标记的移动离子的膜系统,用于中子反射测量,以在分析分离阴离子和阳离子交换相的界面时实现接近 1 nm 的空间分辨率。结果将为进一步发展质量传输和动力学模型提供基准,从而指导提高设备能量转换效率的策略。在涉及生物催化膜应用的另一个项目示例中,将通过使用促进电子转移和“布线”的氧化还原聚合物来组装利用固氮酶进行 N2 还原的多催化级联。电极组件内的酶。膜组成的原位空间图谱将指导基于吩噻嗪侧基的修饰,以实现在单独的无酶电极覆盖层中介导固氮酶和 O2 清除的电子传递介导的双重作用。覆盖层将减轻固氮酶对 O2 的敏感性,并支持构建能够在空气中运行的环境温度 N2 到 NH3 转化平台的重要目标。所有中子反射测量都将与美国国家标准技术研究院 (NIST) 中子研究中心合作进行。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Cyclic Voltammetry as a Probe of Selective Ion Transport within Layered, Electrode-Supported Ion-Exchange Membrane Materials
循环伏安法作为层状电极支持离子交换膜材料内选择性离子传输的探针
  • DOI:
    10.1149/1945-7111/ac51fd
  • 发表时间:
    2022-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Xu, Jiahe;Leddy, Johna;Korzeniewski, Carol
  • 通讯作者:
    Korzeniewski, Carol
Calculation of Resonance Raman Spectra and Excited State Properties for Blue Copper Protein Model Complexes
蓝铜蛋白模型复合物的共振拉曼光谱和激发态性质的计算
  • DOI:
    10.1021/acssuschemeng.2c04802
  • 发表时间:
    2022-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Ozuguzel, Umut;Aquino, Adelia J.;Nieman, Reed;Minteer, Shelley D.;Korzeniewski, Carol
  • 通讯作者:
    Korzeniewski, Carol
Adapting confocal Raman microscopy for in situ studies of redox transformations at electrode-electrolyte interfaces
采用共焦拉曼显微镜进行电极-电解质界面氧化还原转变的原位研究
  • DOI:
    10.1016/j.jelechem.2021.115207
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Korzeniewski, Carol;Peterson, Eric M.;Kitt, Jay P.;Minteer, Shelley D.;Harris, Joel M.
  • 通讯作者:
    Harris, Joel M.
Modified Graphene Oxide as an Additive to Enhance the Lubricity of the Ionic Liquid, 1-Heptyl-3-methylimidazolium Bis[(trifluoromethane)sulfonyl]amide
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  • DOI:
    10.1021/acsaenm.2c00177
  • 发表时间:
    2023-01-26
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Sujoy Talukder;J. Kaur;Jeremy Lawerence;Jiahe Xu;Ramesh Choudhary;C. Korzeniewski;E. Quitevis;Chang
  • 通讯作者:
    Chang
In Situ Confocal Raman Microscopy of Redox Polymer Films on Bulk Electrode Supports
体电极支架上氧化还原聚合物薄膜的原位共焦拉曼显微镜
  • DOI:
    10.1021/acsmeasuresciau.2c00064
  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Xu, Jiahe;Koh, Miharu;Minteer, Shelley D.;Korzeniewski, Carol
  • 通讯作者:
    Korzeniewski, Carol
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  • 作者:
    Carol Korzeniewski;D. Kardash
  • 通讯作者:
    D. Kardash

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作者:{{ showInfoDetail.author }}

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