Z elektrownie wodorowe w Kalifornii, A nowy japoński samochód konsumencki i przenośne wodorowe ogniwa paliwowe w przypadku elektroniki wodór jako źródło paliwa o zerowej emisji wreszcie staje się rzeczywistością dla przeciętnego konsumenta. W połączeniu z tlenem w obecności katalizatorwodór uwalnia energię i wiąże się z tlenem, tworząc wodę.

Połączenia dwie główne trudności uniemożliwiając nam dostęp do energii wodorowej wszystko, co mamy przechowywanie i produkcji. Obecnie produkcja wodoru jest energochłonna i droga. Normalnie przemysłowa produkcja wodoru wymaga wysokich temperatur, dużych obiektów i ogromnej ilości energii. W rzeczywistości zwykle pochodzi z paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny – i dlatego nie jest w rzeczywistości źródłem paliwa o zerowej emisji. Sprawienie, by proces był tańszy, wydajny i zrównoważony, znacznie przyczyniłoby się do tego, by wodór stał się powszechniej używanym paliwem.

Doskonałym – i obfitym – źródłem wodoru jest woda. Ale chemicznie wymaga to odwrócenia reakcji, w której wodór uwalnia energię podczas łączenia się z innymi chemikaliami. Oznacza to, że musimy włożyć energię w związek, aby wydobyć wodór. Maksymalizacja wydajności tego procesu byłaby znaczącym postępem w kierunku przyszłości czystej energii.

Jedna metoda polega na zmieszaniu wody z pomocnym związkiem chemicznym, katalizatorem, w celu zmniejszenia ilości energii potrzebnej do zerwania połączeń między atomami wodoru i tlenu. Istnieje kilka obiecujących katalizatorów do wytwarzania wodoru, w tym: siarczek molibdenu, grafen i siarczan kadmu. Moje badania skupiają się na modyfikowaniu właściwości molekularnych siarczku molibdenu, aby reakcja była jeszcze skuteczniejsza i wydajniejsza.

Wytwarzanie wodoru

Wodór to najbardziej obfity pierwiastek we wszechświecie, ale rzadko jest dostępny w postaci czystego wodoru. Raczej łączy się z innymi pierwiastkami, tworząc wiele substancji chemicznych i związków, takich jak rozpuszczalniki organiczne, takie jak metanol, i białka w organizmie człowieka. Jego czysta postać, H2, może być stosowana jako przenośne i wydajne paliwo.

Tam są kilka sposobów na produkcję wodoru nadające się do wykorzystania jako paliwo. Elektroliza wykorzystuje energię elektryczną do rozdzielenia wody na wodór i tlen. Reforming parowy metanu zaczyna się od metanu (cztery atomy wodoru związane z atomem węgla) i podgrzewa go, oddzielając wodór od węgla. Ta energochłonna metoda polega zwykle na tym, jak przemysł wytwarza wodór, który jest wykorzystywany do produkcji amoniaku lub rafinacji ropy naftowej.

Metoda, na której się skupiam, to fotokatalityczne rozszczepianie wody. Z pomocą katalizatora ilość energii potrzebną do „rozszczepienia” wody na wodór i tlen może być dostarczana przez inny obfity zasób – światło. Pod wpływem światła odpowiednia mieszanina wody i katalizatora wytwarza zarówno tlen, jak i wodór. Jest to bardzo atrakcyjne dla przemysłu, ponieważ umożliwia nam wykorzystanie wody jako źródła wodoru zamiast brudnych paliw kopalnych.

Zrozumienie katalizatorów

Tak jak nie co dwie osoby rozpoczynają rozmowę, gdy znajdują się w tej samej windzie, niektóre interakcje chemiczne nie zachodzą tylko dlatego, że wprowadzane są dwa materiały. Cząsteczki wody mogą zostać rozszczepione na wodór i tlen z dodatkiem energii, ale potrzebna ilość energii byłaby większa, niż byłaby generowana w wyniku reakcji.

Czasami do uruchomienia spraw potrzebna jest osoba trzecia. W chemii nazywa się to katalizatorem. Mówiąc chemicznie, katalizator obniża ilość energii potrzebnej do przereagowania dwóch związków. Niektóre katalizatory działają tylko pod wpływem światła. Związki te, podobnie jak dwutlenek tytanu, są zwane fotokatalizatorami.

Dzięki fotokatalizatorowi w mieszance energia potrzebna do rozszczepienia wody znacznie spada, dzięki czemu wysiłek skompensuje zysk energetyczny na końcu procesu. Możemy sprawić, że rozszczepienie będzie jeszcze wydajniejsze, dodając kolejną substancję, w roli zwanej kokatalizatorem. Kokatalizatory w wytwarzaniu wodoru zmieniają strukturę elektronową reakcji, zwiększając jej skuteczność w wytwarzaniu wodoru.

Jak dotąd nie ma żadnych skomercjalizowanych systemów produkcji wodoru w ten sposób. Wynika to po części z kosztów. Najlepsze katalizatory i kokatalizatory, jakie znaleźliśmy, skutecznie wspomagają reakcję chemiczną, ale są bardzo drogie. Na przykład pierwszą obiecującą kombinację dwutlenku tytanu i platyny odkryto w 1972 roku. Platyna jest jednak metalem bardzo drogim (grubo ponad 1,000 USD za uncję). Nawet ren, kolejny użyteczny katalizator, kosztuje około 70 dolarów za uncję. Metale takie jak te są tak rzadkie w skorupie ziemskiej, że to sprawia, że ​​są nie nadaje się do zastosowań na dużą skalę mimo że są opracowywane procesy, aby recykling tych materiałów.

Znalezienie nowego katalizatora

Istnieje wiele wymagań dotyczących dobrego katalizatora, takich jak możliwość recyklingu i odporność na ciepło i ciśnienie związane z reakcją. Ale równie ważne jest to, jak powszechny jest materiał, ponieważ katalizatory w największej ilości są najtańsze.

Jednym z najnowszych i najbardziej obiecujących materiałów jest siarczek molibdenu, MoS?. Ponieważ składa się z pierwiastków molibdenu i siarki – obu stosunkowo powszechnych na Ziemi – jest znacznie tańszy niż bardziej tradycyjne katalizatory, znacznie poniżej dolara za uncję. Posiada również prawidłowe właściwości elektroniczne i inne atrybuty.

Przed końcem lat 1990.naukowcy odkryli, że siarczek molibdenu nie był szczególnie skuteczny w przekształcaniu wody w wodór. Ale to dlatego, że naukowcy używali grubych kawałków minerału, zasadniczo w formie, w jakiej jest wydobywany z ziemi. Dziś jednak możemy korzystać z procesów takich jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej or procesy oparte na rozwiązaniach stworzyć znacznie cieńsze kryształy MoS? – nawet do grubości pojedynczej cząsteczki – które znacznie skuteczniej ekstrahują wodór z wody.

Jeszcze lepszy proces

Siarczek molibdenu można jeszcze bardziej zwiększyć, manipulując jego właściwościami fizycznymi i elektrycznymi. Proces znany jako „zmiana fazy” sprawia, że ​​więcej substancji jest dostępnych do udziału w reakcji wytwarzającej wodór.

Kiedy siarczek molibdenu tworzy kryształy, atomy i cząsteczki na zewnątrz stałej masy są gotowy do przyjęcia lub oddania elektronów do wody po wzbudzeniu przez światło, aby spowodować powstanie wodoru. Zwykle MoS? cząsteczki wewnątrz struktury nie będą oddawać ani przyjmować elektronów tak sprawnie jak strony brzegowe, więc nie może tak bardzo pomóc w reakcji.

Ale dodanie energii do MoS? przez bombardowanie go elektronamilub zwiększenie ciśnienia otoczenia, powoduje to, co nazywa się „zmiana fazy" wystąpić. Ta zmiana fazy nie jest tym, czego uczysz się w podstawowej chemii (obejmuje jedną substancję przybierającą formę gazu, cieczy lub ciała stałego), ale raczej niewielką zmianą strukturalną w układzie molekularnym, która zmienia MOS? z półprzewodnika na metal.

W rezultacie, w reakcji stają się również dostępne właściwości elektryczne cząsteczek wewnątrz. To sprawia, że ​​potencjalnie taka sama ilość katalizatora 600 razy skuteczniejszy w reakcji wydzielania wodoru.

Jeśli metody stojące za tego rodzaju przełomem zostaną udoskonalone, możemy być o krok bliżej do tańszej i wydajniejszej produkcji wodoru, co z kolei poprowadzi nas w kierunku przyszłości napędzanej naprawdę czystą, odnawialną energią.

O autorze

dr Peter Byrley Kandydat na kierunku Inżynieria Chemiczna, University of California, Riverside

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon