hydrogen fra vann9 9

Med hydrogen kraftverk i Californiaen ny japansk forbrukerbil og bærbare hydrogen brenselceller For elektronikk er hydrogen som en null-utslippsbrennstoffkilde nå til slutt en realitet for den gjennomsnittlige forbrukeren. Når kombinert med oksygen i nærvær av a katalysator, hydrogen frigjør energi og bindinger med oksygen for å danne vann.

De to hovedproblemer hindrer oss fra å ha hydrogenskraft alt vi har er lagring og produksjon. For øyeblikket er hydrogenproduksjonen energiintensiv og dyr. Vanligvis krever industriell produksjon av hydrogen høye temperaturer, store anlegg og en enorm mengde energi. Faktisk kommer det vanligvis fra fossile brensler som naturgass - og er derfor ikke en null-utslippsbrennstoffkilde. Å gjøre prosessen billigere, effektiv og bærekraftig ville gå langt i retning av å gjøre hydrogen til et mer vanlig drivstoff.

En utmerket - og rikelig - kilde til hydrogen er vann. Men det krever kjemisk reversering av reaksjonen der hydrogen frigjør energi når man kombinerer med andre kjemikalier. Det betyr at vi må sette energi inn i en sammensatt for å få hydrogenet ut. Maksimering av effektiviteten av denne prosessen vil være betydelige framskritt mot en ren energi-fremtid.

En metode innebærer å blande vann med en nyttig kjemikalie, en katalysator, for å redusere mengden energi som trengs for å bryte forbindelsene mellom hydrogen og oksygenatomer. Det er flere lovende katalysatorer for hydrogengenerering, inkludert molybdensulfid, grafen og kadmiumsulfat. Min forskning fokuserer på å endre molekylære egenskaper til molybdensulfid for å gjøre reaksjonen enda mer effektiv og mer effektiv.

Å lage hydrogen

Hydrogen er mest omfattende element i universet, men det er sjelden tilgjengelig som rent hydrogen. Snarere kombineres det med andre elementer for å danne mange kjemikalier og forbindelser, for eksempel organiske løsemidler som metanol og proteiner i menneskekroppen. Dens rene form, H?, kan brukes som et transportabelt og effektivt drivstoff.


innerself abonnere grafikk


Det finnes flere måter å produsere hydrogen på å være brukbar som drivstoff. Elektrolyse bruker strøm til å dele vann inn i hydrogen og oksygen. Steammetanreformering starter med metan (fire hydrogenatomer bundet til et karbonatom) og oppvarmer det, separerer hydrogenet fra karbonet. Denne energikrevende metoden er vanligvis hvordan næringer produserer hydrogen som brukes til å produsere ammoniakk eller raffinering av olje.

Metoden jeg fokuserer på er fotokatalytisk vanndeling. Med hjelp av en katalysator kan mengden energi som trengs for å "splitte" vann inn i hydrogen og oksygen, gis av et annet rikelig ressurslys. Ved eksponering for lys produserer en riktig blanding av vann og en katalysator både oksygen og hydrogen. Dette er veldig attraktivt for industrien fordi det gir oss mulighet til å bruke vann som kilde til hydrogen i stedet for skitne fossile brensler.

Forstå katalysatorer

Akkurat som ikke alle to folk starter en samtale hvis de er i samme heis, forekommer det ingen kjemiske interaksjoner bare fordi de to materialene er introdusert. Vannmolekyler kan deles inn i hydrogen og oksygen med tilsetning av energi, men mengden energi som trengs, ville være mer enn det som ville bli generert som følge av reaksjonen.

Noen ganger tar det en tredjepart å få ting til å gå. I kjemi kalles det en katalysator. Kemisk sett reduserer en katalysator mengden energi som trengs for at to forbindelser skal reagere. Noen katalysatorer fungerer bare når de er utsatt for lys. Disse forbindelsene, som titandioksid, er kalt fotokatalysatorer.

Med en fotokatalysator i blandingen, må energien som trengs for å dele vanndråpene betydelig, slik at innsatsen gir en energiøkning ved slutten av prosessen. Vi kan gjøre splittelsen enda mer effektiv ved å legge til et annet stoff, i en rolle kalt co-katalysator. Medkatalysatorer i hydrogengenerering endrer reaksjonens elektroniske struktur, noe som gjør det mer effektivt å produsere hydrogen.

Så langt er det ikke noen kommersialiserte systemer for å produsere hydrogen på denne måten. Dette er delvis på grunn av kostnad. De beste katalysatorene og samkatalysatorene vi har funnet, er effektive til å hjelpe med den kjemiske reaksjonen, men er svært dyre. For eksempel ble den første lovende kombinasjonen, titandioxid og platina oppdaget i 1972. Platina er imidlertid et veldig dyrt metall (godt over US $ 1,000 per ounce). Selv renium, en annen nyttig katalysator, koster rundt $ 70 en unse. Metaller som disse er så sjeldne i jordskorpen at dette gjør dem Ikke egnet for store applikasjoner selv om det er prosesser som blir utviklet til resirkulere disse materialene.

Finne en ny katalysator

Det er mange krav til en god katalysator, for eksempel å kunne resirkuleres og være i stand til å motstå varmen og trykket som er involvert i reaksjonen. Men like viktig er hvor vanlig materialet er, fordi de mest omfattende katalysatorene er de billigste.

Et av de nyeste og mest lovende materialene er molybdensulfid, MoS?. Fordi det består av grunnstoffene molybden og svovel – begge relativt vanlige på jorden – er det langt billigere enn mer tradisjonelle katalysatorer, godt under en dollar per unse. Den har også de riktige elektroniske egenskapene og andre attributter.

Før sen 1990s, hadde forskere funnet ut at molybdensulfid ikke var spesielt effektivt ved å snu vann til hydrogen. Men det var fordi forskerne brukte tykke biter av mineralet, i hovedsak skjemaet i når det ble malt fra bakken. I dag kan vi imidlertid bruke prosesser som Kjemisk dampavsetning or løsningsbaserte prosesser å lage mye tynnere krystaller av MoS? – selv ned til tykkelsen til et enkelt molekyl – som er mye mer effektive til å trekke ut hydrogen fra vann.

Gjør prosessen enda bedre

Molybdensulfid kan gjøres enda mer effektivt ved å manipulere sine fysiske og elektriske egenskaper. En prosess kjent som "faseendring" gjør at mer av stoffet er tilgjengelig for å delta i den hydrogenproducerende reaksjon.

Når molybdensulfid danner krystaller, er atomene og molekylene på utsiden av den faste massen klar til å godta eller donere elektroner til vann når de blir begeistret av lys for å drive dannelsen av hydrogen. Normalt, MoS? molekyler på innsiden av strukturen vil ikke donere eller akseptere elektroner så effektivt som kantstedene, og det kan ikke hjelpe så mye med reaksjonen.

Men legge til energi til MoS? av bombardere det med elektronereller øker det omkringliggende trykket, forårsaker det som kalles "faseendring" å oppstå. Denne faseendringen er ikke det du lærer i grunnleggende kjemi (involverer ett stoff som tar form av gass, væske eller fast stoff), men snarere en liten strukturendring i molekylarrangementet som endrer MoS? fra en halvleder til et metall.

Som et resultat blir de elektriske egenskapene til molekylene på innsiden også tilgjengelige for reaksjonen. Dette gjør den samme mengden katalysator potensielt 600 ganger effektivere i hydrogenevolusjonsreaksjonen.

Hvis metodene bak denne typen gjennombrudd kan bli perfeksjonert, kan vi være et stort skritt nærmere å gjøre hydrogenproduksjonen billigere og mer effektiv, noe som igjen vil flytte oss mot en fremtid drevet av virkelig ren fornybar energi.

Om forfatteren

Peter Byrley, Ph.D. Kandidat i Kjemisk Engineering, University of California, Riverside

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker

at InnerSelf Market og Amazon