cu centrale electrice cu hidrogen din California, A mașină nouă de consum japoneză și celule de combustibil portabile cu hidrogen pentru electronice, hidrogenul ca sursă de combustibil cu emisii zero devine acum în sfârșit o realitate pentru consumatorul mediu. Când este combinat cu oxigen în prezența unui catalizator, hidrogenul eliberează energie și se leagă cu oxigenul pentru a forma apa.

două dificultăți principale împiedicându-ne să avem energie cu hidrogen, tot ceea ce avem sunt depozitare și producție. În acest moment, producția de hidrogen consumă mult energie și este costisitoare. În mod normal, producția industrială de hidrogen necesită temperaturi ridicate, instalații mari și o cantitate enormă de energie. De fapt, provine de obicei din combustibili fosili precum gazul natural - și, prin urmare, nu este de fapt o sursă de combustibil cu emisii zero. Scăderea, eficiența și durabilitatea procesului ar contribui mult la transformarea hidrogenului într-un combustibil mai utilizat.

O sursă excelentă - și abundentă - de hidrogen este apa. Dar din punct de vedere chimic, aceasta necesită inversarea reacției în care hidrogenul eliberează energie atunci când se combină cu alte substanțe chimice. Asta înseamnă că trebuie să punem energie într-un compus, pentru a scoate hidrogenul. Maximizarea eficienței acestui proces ar fi un progres semnificativ către un viitor cu energie curată.

O metodă implică amestecarea apei cu un produs chimic util, un catalizator, pentru a reduce cantitatea de energie necesară pentru a rupe conexiunile dintre atomii de hidrogen și oxigen. Există mai mulți catalizatori promițători pentru generarea hidrogenului, inclusiv sulfură de molibden, grafen și sulfat de cadmiu. Cercetările mele se concentrează pe modificarea proprietăților moleculare ale sulfurii de molibden pentru a face reacția și mai eficientă și mai eficientă.

Producerea hidrogenului

Hidrogenul este cel mai abundent element din univers, dar este rareori disponibil ca hidrogen pur. Mai degrabă, se combină cu alte elemente pentru a forma o mulțime de substanțe chimice și compuși, cum ar fi solvenții organici precum metanolul și proteinele din corpul uman. Forma sa pură, H?, poate fi folosită ca combustibil transportabil și eficient.

Sunt mai multe moduri de a produce hidrogen să fie utilizabil ca combustibil. Electroliza folosește electricitatea pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen. Reformarea metanului cu abur începe cu metan (patru atomi de hidrogen legați de un atom de carbon) și îl încălzește, separând hidrogenul de carbon. Această metodă consumatoare de energie este de obicei modul în care industriile produc hidrogen care este utilizat în lucruri precum producerea de amoniac sau rafinarea petrolului.

Metoda pe care mă concentrez este scindarea fotocatalitică a apei. Cu ajutorul unui catalizator, cantitatea de energie necesară pentru a „împărți” apa în hidrogen și oxigen poate fi furnizată de o altă resursă abundentă - lumina. Când este expus la lumină, un amestec adecvat de apă și un catalizator produce atât oxigen cât și hidrogen. Acest lucru este foarte atractiv pentru industrie, deoarece ne permite apoi să folosim apa ca sursă de hidrogen în loc de combustibili fosili murdari.

Înțelegerea catalizatorilor

Așa cum nu fiecare două persoane inițiază o conversație dacă sunt în același lift, unele interacțiuni chimice nu apar doar pentru că sunt introduse cele două materiale. Moleculele de apă pot fi împărțite în hidrogen și oxigen cu adăugarea de energie, dar cantitatea de energie necesară ar fi mai mare decât ar fi generată ca urmare a reacției.

Uneori este nevoie de o terță parte pentru ca lucrurile să funcționeze. În chimie, asta se numește catalizator. Din punct de vedere chimic, un catalizator scade cantitatea de energie necesară reacției a doi compuși. Unii catalizatori funcționează numai atunci când sunt expuși la lumină. Acești compuși, cum ar fi dioxidul de titan, sunt numite fotocatalizatori.

Cu un fotocatalizator în amestec, energia necesară pentru a împărți apa scade semnificativ, astfel încât efortul să obțină un câștig de energie la sfârșitul procesului. Putem face divizarea și mai eficientă prin adăugarea unei alte substanțe, într-un rol numit co-catalizator. Co-catalizatorii din generarea hidrogenului modifică structura electronică a reacției, făcând-o mai eficientă la producerea hidrogenului.

Până în prezent, nu există sisteme comercializate pentru producerea hidrogenului în acest fel. Acest lucru se datorează în parte costurilor. Cei mai buni catalizatori și co-catalizatori pe care i-am găsit sunt eficienți la reacția chimică, dar sunt foarte scumpi. De exemplu, prima combinație promițătoare, dioxidul de titan și platina, a fost descoperită în 1972. Totuși, platina este un metal foarte scump (mult peste 1,000 USD pe uncie). Chiar și reniu, un alt catalizator util, costă în jur de 70 de dolari pe uncie. Metale ca acestea sunt atât de rare în scoarța terestră încât acest lucru le face să fie nu este potrivit pentru aplicații pe scară largă chiar dacă există procese în curs de dezvoltare reciclați aceste materiale.

Găsirea unui nou catalizator

Există multe cerințe pentru un catalizator bun, cum ar fi posibilitatea de a fi reciclat și capacitatea de a rezista căldurii și presiunii implicate în reacție. Dar la fel de crucial este cât de comun este materialul, deoarece cei mai abundenți catalizatori sunt cei mai ieftini.

Unul dintre cele mai noi și mai promițătoare materiale este sulfura de molibden, MoS?. Deoarece este alcătuit din elementele molibden și sulf – ambele relativ comune pe Pământ – este mult mai ieftin decât catalizatorii mai tradiționali, mult sub un dolar pe uncie. De asemenea, are proprietățile electronice corecte și alte atribute.

Înainte de sfârșitul anilor 1990, cercetătorii au descoperit că sulfura de molibden nu a fost deosebit de eficientă în transformarea apei în hidrogen. Dar asta s-a întâmplat pentru că cercetătorii foloseau bucăți groase de mineral, în esență forma în care se află atunci când este exploatat de la sol. Astăzi, însă, putem folosi procese precum depunerea chimică a vaporilor or procese bazate pe soluții pentru a crea cristale mult mai subțiri de MoS? – chiar și până la grosimea unei singure molecule – care sunt mult mai eficiente la extragerea hidrogenului din apă.

Îmbunătățirea procesului

Sulfura de molibden poate fi făcută și mai eficientă prin manipularea proprietăților sale fizice și electrice. Un proces cunoscut sub numele de „schimbare de fază” face ca mai multă substanță să fie disponibilă pentru a participa la reacția de producere a hidrogenului.

Când sulfura de molibden formează cristale, atomii și moleculele din exteriorul masei solide sunt gata să accepte sau să doneze electroni în apă atunci când este excitat de lumină pentru a determina crearea de hidrogen. În mod normal, MoS? moleculele din interiorul structurii nu vor dona sau accepta electroni la fel de eficient ca site-urile de margine, și, prin urmare, nu poate ajuta la fel de mult cu reacția.

Dar adăugarea de energie la MoS? de bombardându-l cu electroni, Sau crescând presiunea înconjurătoare, cauzează ceea ce se numește „schimbarea fazei" a avea loc. Această schimbare de fază nu este ceea ce înveți în chimia de bază (care implică o substanță care ia forme de gaz, lichide sau solide), ci mai degrabă o ușoară modificare structurală a aranjamentului molecular care schimbă MoS? de la un semiconductor la un metal.

Ca urmare, proprietățile electrice ale moleculelor din interior devin disponibile și pentru reacție. Acest lucru face ca aceeași cantitate de catalizator să fie potențial De 600 de ori mai eficient în reacția de evoluție a hidrogenului.

Dacă metodele din spatele acestui tip de descoperire pot fi perfecționate, atunci s-ar putea să fim un pas mai aproape de a face producția de hidrogen mai ieftină și mai eficientă, ceea ce, la rândul său, ne va muta către un viitor alimentat cu energie regenerabilă cu adevărat curată.

Despre autor

Dr. Peter Byrley Candidat în inginerie chimică, Universitatea din California, Riverside

Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.

Cărți conexe

at InnerSelf Market și Amazon