väte från vatten9 9

Med vätekraftverk i Kalifornien, en ny japansk konsumentbil och bärbara vätebränsleceller För elektronik är väte som en bränslekälla med nollutsläpp nu äntligen en realitet för genomsnittskonsumenten. När den kombineras med syre i närvaro av a katalysator, väte frigör energi och bindningar med syre för att bilda vatten.

Smakämnen två stora svårigheter förhindrar oss från att ha vätekraft allt vi har är förvaring och produktion. För närvarande är väteproduktionen energiintensiv och dyr. Vanligen kräver industriproduktion av väte höga temperaturer, stora anläggningar och en enorm mängd energi. Faktum är att det vanligtvis kommer från fossila bränslen som naturgas - och är därför inte en bränslekälla med nollutsläpp. Att göra processen billigare, effektiv och hållbar skulle gå långt mot att göra väte till ett vanligare bränsle.

En utmärkt - och riklig - källan av väte är vatten. Men kemiskt kräver det att vända reaktionen där väte släpper ut energi när man kombinerar med andra kemikalier. Det betyder att vi måste lägga energi i en förening för att få väte ut. Maximering av effektiviteten i denna process skulle vara betydande framsteg mot en ren energi-framtid.

En metod innefattar att blanda vatten med en användbar kemikalie, en katalysator, för att minska mängden energi som behövs för att bryta förbindelserna mellan väte och syreatomer. Det finns flera lovande katalysatorer för väteproduktion, inklusive molybdensulfid, grafen och kadmiumsulfat. Min forskning fokuserar på att modifiera molekylära egenskaper hos molybdensulfid för att göra reaktionen ännu effektivare och effektivare.

Göra väte

Vätgas är mest överflödiga elementet i universum, men det är sällan tillgängligt som rent väte. Snarare kombineras det med andra element för att bilda en hel del kemikalier och föreningar, såsom organiska lösningsmedel som metanol och proteiner i människokroppen. Dess rena form, H?, kan användas som ett transportabelt och effektivt bränsle.


innerself prenumerera grafik


Det finns flera sätt att producera väte att kunna användas som bränsle. Elektrolys använder el för att dela vatten i väte och syre. Ångmetanreformering börjar med metan (fyra väteatomer bundna till en kolatom) och värmer det, separerar väte från kolet. Denna energiintensiva metod är vanligtvis hur industrier producerar väte som används i saker som att producera ammoniak eller raffinering av olja.

Metoden jag fokuserar på är fotokatalytisk vattenuppdelning. Med hjälp av katalysator kan mängden energi som behövs för att "splittra" vatten till väte och syre, tillhandahållas av ett annat rikligt resursljus. Vid exponering för ljus producerar en riktig blandning av vatten och en katalysator både syre och väte. Detta är väldigt attraktivt för industrin eftersom det då tillåter oss att använda vatten som källan till väte istället för smutsiga fossila bränslen.

Förstå katalysatorer

Precis som inte alla två personer startar en konversation om de är i samma hiss, inträffar några kemiska interaktioner bara för att de två materialen introduceras. Vattenmolekyler kan delas upp i väte och syre med tillsats av energi, men den mängd energi som behövs skulle vara mer än vad som skulle genereras som ett resultat av reaktionen.

Ibland tar det en tredje part för att få saker att gå. I kemi kallas det en katalysator. Kemiskt sett sänker en katalysator den mängd energi som krävs för att två föreningar ska reagera. Vissa katalysatorer fungerar endast när de utsätts för ljus. Dessa föreningar, som titandioxid, är kallade fotokatalysatorer.

Med en fotokatalysator i mixen behöver energin som behövs för att dela vattnet sjunka avsevärt, så att ansträngningen gör en energiförbrukning i slutet av processen. Vi kan göra splittringen ännu effektivare genom att lägga till ett annat ämne i en roll som kallas samkatalysator. Samkatalysatorer i väteproduktion förändrar reaktionens elektroniska struktur, vilket gör det mer effektivt vid framställning av väte.

Hittills finns det inga kommersiella system för att producera väte på detta sätt. Detta beror delvis på kostnader. De bästa katalysatorerna och samkatalysatorerna vi har hittat är effektiva för att hjälpa till med kemisk reaktion, men är mycket dyra. Till exempel upptäcktes den första lovande kombinationen, titandioxid och platina i 1972. Platina är dock en mycket dyr metall (väl över US $ 1,000 per ounce). Även renium, en annan användbar katalysator, kostar runt $ 70 en ounce. Metaller som dessa är så sällsynta i jordskorpan att det här gör dem Ej lämplig för storskaliga applikationer även om det finns processer som utvecklas till återvinna dessa material.

Hitta en ny katalysator

Det finns många krav på en bra katalysator, såsom att kunna återvinnas och att klara det värme och tryck som är inblandat i reaktionen. Men lika viktigt är hur vanligt materialet är, eftersom de mest överflödiga katalysatorerna är det billigaste.

Ett av de nyaste och mest lovande materialen är molybdensulfid, MoS?. Eftersom det består av grundämnena molybden och svavel – båda relativt vanliga på jorden – är det mycket billigare än mer traditionella katalysatorer, väl under en dollar per uns. Den har också rätt elektroniska egenskaper och andra attribut.

Innan de sena 1990-erna, hade forskare funnit att molybdensulfid inte var särskilt effektivt vid omvandling av vatten till väte. Men det berodde på att forskare använde tjocka bitar av mineralet, i huvudsak den form det är i när det bryts ur marken. Idag kan vi dock använda processer som kemisk ångavsättning or lösningsbaserade processer skapa mycket tunnare kristaller av MoS? – även ner till en enda molekyls tjocklek – som är mycket effektivare när det gäller att utvinna väte från vatten.

Göra processen ännu bättre

Molybdensulfid kan göras ännu effektivare genom att manipulera dess fysiska och elektriska egenskaper. En process som kallas fasförändring gör att mer av ämnet är tillgängligt för att delta i den väteproducerande reaktionen.

När molybdensulfid bildar kristaller är atomerna och molekylerna på utsidan av den fasta massan redo att acceptera eller donera elektroner till vatten när det exciteras av ljus för att driva skapandet av väte. Normalt, MoS? molekyler på insidan av strukturen kommer inte att donera eller ta emot elektroner lika effektivt som kantplatserna, och det kan inte hjälpa så mycket med reaktionen.

Men lägga energi till MoS? förbi bombardera den med elektroner, eller ökar omgivande tryck, orsakar det som kallas "fasförändring" att hända. Denna fasförändring är inte vad du lär dig i grundläggande kemi (involverar ett ämne som tar former av gas, flytande eller fast) men snarare en liten strukturförändring i det molekylära arrangemanget som ändrar MoS? från en halvledare till en metall.

Som ett resultat blir de elektriska egenskaperna hos molekylerna på insidan också tillgängliga för reaktionen. Detta gör den potentiella mängden katalysator potentiellt 600 gånger effektivare i väteutvecklingsreaktionen.

Om metoderna bakom denna typ av genombrott kan bli perfekta kan vi vara ett stort steg närmare att göra väteproduktionen billigare och effektivare, vilket i sin tur kommer att flytta oss mot en framtid som drivs av verkligt ren förnybar energi.

Om författaren

Peter Byrley, Ph.D. Kandidatexamen i kemiteknik, University of California, Riverside

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon