A hidrogénerőművek KaliforniábanEgy új japán fogyasztói autó és a hordozható hidrogén üzemanyagcellák az elektronika számára a hidrogén, mint zéró emissziós üzemanyagforrás, most végre valósággá válik az átlagfogyasztó számára. Ha oxigénnel kombinálják a katalizátor, a hidrogén energiát szabadít fel és kötődik az oxigénhez, hogy vizet képezzen.

A két fő nehézség megakadályoz bennünket abban, hogy hidrogén energiával rendelkezzünk tárolás és a termelés. Jelenleg a hidrogén előállítása energiaigényes és drága. A hidrogén ipari előállítása általában magas hőmérsékletet, nagy létesítményeket és hatalmas energiát igényel. Valójában általában fosszilis tüzelőanyagokból származik, mint például a földgáz-ezért valójában nem zéró kibocsátású üzemanyagforrás. Az eljárás olcsóbbá, hatékonyabbá és fenntarthatóbbá tétele sokat segítene abban, hogy a hidrogént gyakrabban használt üzemanyaggá tegyék.

Kiváló - és bőséges - hidrogénforrás a víz. Kémiailag azonban ehhez meg kell fordítani azt a reakciót, amelyben a hidrogén energiát szabadít fel más vegyi anyagokkal való kombináció során. Ez azt jelenti, hogy energiát kell fektetnünk egy vegyületbe, hogy kivegyük a hidrogént. E folyamat hatékonyságának maximalizálása jelentős előrelépést jelentene a tiszta energia jövője felé.

Az egyik módszer magában foglalja a víz keverését egy hasznos vegyszerrel, katalizátorral, hogy csökkentse a hidrogén- és oxigénatomok közötti kapcsolatok megszakításához szükséges energiamennyiséget. Számos ígéretes katalizátor létezik a hidrogén előállítására, beleértve molibdén -szulfid, grafén és kadmium -szulfát. Kutatásom a molibdén -szulfid molekuláris tulajdonságainak módosítására összpontosít, hogy a reakció még hatékonyabb és hatékonyabb legyen.

Hidrogén előállítása

A hidrogén az az univerzum legbőségesebb eleme, de ritkán kapható tiszta hidrogénként. Inkább más elemekkel kombinálva nagyon sok vegyi anyagot és vegyületet képez, például szerves oldószereket, például metanolt és fehérjéket az emberi szervezetben. Tiszta formája, a H?, szállítható és hatékony üzemanyagként használható.

Vannak hidrogén előállításának számos módja üzemanyagként használható. Az elektrolízis elektromossággal osztja fel a vizet hidrogénre és oxigénre. Gőz metán reformálása metánnal kezdődik (négy hidrogénatom szénatomhoz kötődik), és felmelegíti, elválasztva a hidrogént a széntől. Ez az energiaigényes módszer általában az, hogy az iparágak hogyan termelnek hidrogént, amelyet például ammónia előállítására vagy az olaj finomítására használnak fel.

A módszer, amire összpontosítok fotokatalitikus vízosztás. Katalizátor segítségével a víz hidrogénre és oxigénre „szétválásához” szükséges energiát egy másik bőséges erőforrás - a fény - biztosíthatja. Fény hatására a víz és a katalizátor megfelelő keveréke oxigént és hidrogént is termel. Ez nagyon vonzó az ipar számára, mert ezáltal lehetővé teszi, hogy vizet használjunk hidrogénforrásként a piszkos fosszilis tüzelőanyagok helyett.

A katalizátorok megértése

Ahogy nem minden két ember kezd beszélgetést, ha ugyanabban a liftben tartózkodik, bizonyos kémiai kölcsönhatások csak azért nem következnek be, mert a két anyagot bevezetik. A vízmolekulákat energia hozzáadásával hidrogénre és oxigénre lehet bontani, de a szükséges energiamennyiség több lenne, mint amennyi a reakció eredményeként keletkezne.

Néha szükség van egy harmadik félre, hogy a dolgok menjenek. A kémiában ezt katalizátornak nevezik. Kémiai szempontból a katalizátor csökkenti a két vegyület reakciójához szükséges energiamennyiséget. Néhány katalizátor csak fény hatására működik. Ezek a vegyületek, mint a titán -dioxid, azok fotokatalizátoroknak nevezik.

A keverékben lévő fotokatalizátorral a víz felosztásához szükséges energia jelentősen csökken, így az erőfeszítés a folyamat végén energianyereséget eredményez. Még hatékonyabbá tehetjük a szétválasztást egy másik anyag hozzáadásával, a katalizátornak nevezett szerepben. A hidrogéntermelésben a katalizátorok megváltoztatják a reakció elektronikus szerkezetét, hatékonyabbá téve a hidrogén termelését.

Eddig nincs kereskedelmi forgalomban kapható rendszer hidrogén ilyen módon történő előállítására. Ez részben a költségek miatt van. A legjobb katalizátorok és katalizátorok, amelyeket találtunk, hatékonyan segítik a kémiai reakciót, de nagyon drágák. Például az első ígéretes kombinációt, a titán -dioxidot és a platinát 1972 -ben fedezték fel. A platina azonban nagyon drága fém (jóval több mint 1,000 dollár unciánként). Még a renium, egy másik hasznos katalizátor, körülbelül 70 dollárba kerül unciánként. Az ilyen fémek annyira ritkák a földkéregben, hogy ez teszi őket nem alkalmas nagyszabású alkalmazásokhoz annak ellenére, hogy folyamatokat fejlesztenek újrahasznosítani ezeket az anyagokat.

Új katalizátor megtalálása

A jó katalizátornak számos követelménye van, például az, hogy újrahasznosítható legyen, és képes legyen ellenállni a reakcióval járó hőnek és nyomásnak. De ugyanolyan döntő fontosságú, hogy mennyire gyakori az anyag, mert a leggazdagabb katalizátorok a legolcsóbbak.

Az egyik legújabb és legígéretesebb anyag a molibdén-szulfid, MoS?. Mivel a molibdén és a kén elemekből áll – mindkettő viszonylag gyakori a Földön –, ezért sokkal olcsóbb, mint a hagyományosabb katalizátorok, jóval egy dollár alatt unciánként. Rendelkezik a megfelelő elektronikus tulajdonságokkal és egyéb tulajdonságokkal is.

A kilencvenes évek vége előtt, a kutatók azt találták, hogy a molibdén -szulfid nem volt különösen hatékony a víz hidrogénné alakításában. De ez azért volt, mert a kutatók az ásvány vastag darabjait használták, lényegében abban a formában, ahogy a földből bányásszák. Ma azonban használhatunk olyan folyamatokat, mint a vegyszer permet lerakódás or megoldás-alapú folyamatok sokkal vékonyabb MoS kristályokat létrehozni? – akár egyetlen molekula vastagságáig is – amelyek sokkal hatékonyabban vonják ki a hidrogént a vízből.

A folyamat még jobbá tétele

A molibdén -szulfid fizikai és elektromos tulajdonságainak manipulálásával még hatékonyabbá tehető. A „fázisváltás” néven ismert eljárás lehetővé teszi az anyag nagyobb részvételét a hidrogéntermelő reakcióban.

Amikor a molibdén -szulfid kristályokat képez, a szilárd tömeg külső oldalán lévő atomok és molekulák készen áll az elektronok elfogadására vagy adományozására a vízre amikor a fény gerjeszti a hidrogén keletkezését. Általában a MoS? a szerkezet belsejében lévő molekulák nem adnak vagy fogadnak elektronokat olyan hatékonyan, mint a peremhelyek, és így nem tudnak annyira segíteni a reakción.

De energiát adunk a MoS-hez? által elektronokkal bombázzavagy növelve a környező nyomástokozza az ún.fázis váltás" fordul elő. Ezt a fázisváltozást nem az alapvető kémia tanítja (egy anyag gáz, folyadék vagy szilárd anyag formájában), hanem a molekuláris elrendezés enyhe szerkezeti változása. megváltoztatja a MoS-t? félvezetőből fémmé.

Ennek eredményeképpen a belső molekulák elektromos tulajdonságai is elérhetővé válnak a reakció számára. Ez potenciálisan azonos mennyiségű katalizátort eredményez 600 -szor hatékonyabb a hidrogénfejlődési reakcióban.

Ha az ilyen áttörés mögött meghúzódó módszereket tökéletesíteni lehet, akkor nagy lépéssel közelebb kerülhetünk ahhoz, hogy olcsóbbá és hatékonyabbá tegyük a hidrogéntermelést, ami pedig egy valóban tiszta, megújuló energiával hajtott jövő felé mozdít el bennünket.

A szerzőről

Peter Byrley, Ph.D. Vegyészmérnök jelölt, Kalifornia Egyetem, Riverside

Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.

Kapcsolódó könyvek

at InnerSelf Market és Amazon