Доступно водородные электростанции в Калифорнии, чтобы новый японский потребительский автомобиль и переносные водородные топливные элементы для электроники водород в качестве источника топлива с нулевым уровнем выбросов теперь, наконец, становится реальностью для среднего потребителя. В сочетании с кислородом в присутствии катализатор, водород выделяет энергию и связывается с кислородом с образованием воды.

Ассоциация две основные трудности не позволяя нам иметь водородную энергию, все, что у нас есть диск и производство. В настоящее время производство водорода является энергоемким и дорогостоящим. Обычно промышленное производство водорода требует высоких температур, больших мощностей и огромного количества энергии. Фактически, это обычно происходит от ископаемого топлива, такого как природный газ, и, следовательно, на самом деле не является источником топлива с нулевым уровнем выбросов. Сделать процесс более дешевым, эффективным и устойчивым будет долгий путь к тому, чтобы сделать водород более широко используемым топливом.

Отличным - и изобилием - источником водорода является вода. Но химически, что требует обратной реакции, когда водород выделяет энергию при сочетании с другими химическими веществами. Это означает, что мы должны поместить энергию в состав, чтобы вывести водород. Максимизация эффективности этого процесса будет значительным прогрессом в будущее чистой энергии.

Один из способов заключается в смешивании воды с полезным химическим веществом, катализатором, для уменьшения количества энергии, необходимой для разрушения связей между атомами водорода и кислорода. Существует несколько перспективных катализаторов для генерации водорода, в том числе сульфид молибдена, графена и сульфата кадмия. В моих исследованиях основное внимание уделяется модификации молекулярных свойств сульфида молибдена, чтобы сделать реакцию еще более эффективной и более эффективной.

Получение водорода

Водород - это самый распространенный элемент во вселенной, но он редко доступен в виде чистого водорода. Скорее, он соединяется с другими элементами, образуя множество химических веществ и соединений, таких как органические растворители, такие как метанол, и белки в организме человека. Его чистая форма, H?, может использоваться как транспортабельное и эффективное топливо.

Существуют несколько способов получения водорода для использования в качестве топлива. Электролиз использует электричество для разделения воды на водород и кислород. Реформирование пара метана начинается с метана (четыре атома водорода, связанного с атомом углерода) и нагревает его, выделяя водород из углерода. Этот энергоемкий метод обычно заключается в том, как отрасли производят водород, который используется в таких областях, как производство аммиака или рафинирование нефти.

Метод, на котором я сосредоточен, - это фотокаталитическое разделение воды, С помощью катализатора количество энергии, необходимое для «разделения» воды на водород и кислород, может быть обеспечено еще одним богатым ресурсным светом. При воздействии света правильная смесь воды и катализатора образует как кислород, так и водород. Это очень привлекательно для промышленности, потому что это позволяет нам использовать воду в качестве источника водорода вместо грязных ископаемых видов топлива.

Понимание катализаторов

Так же, как не каждый два человека начинают разговор, если они находятся в одном лифте, некоторые химические взаимодействия происходят не только из-за того, что вводятся два материала. Молекулы воды могут быть разделены на водород и кислород с добавлением энергии, но количество требуемой энергии было бы больше, чем было бы получено в результате реакции.

Иногда требуется третья сторона, чтобы добиться успеха. В химии это называется катализатором. Химически говоря, катализатор снижает количество энергии, необходимой для взаимодействия двух соединений. Некоторые катализаторы функционируют только при воздействии света. Эти соединения, такие как диоксид титана, являются фотокатализаторы.

При использовании фотокатализатора в смеси энергия, необходимая для разделения воды, значительно падает, так что усилие увеличивает энергетическое усиление в конце процесса. Мы можем сделать расщепление еще более эффективным, добавляя другое вещество в роли, называемое сокатализатором. Сокатализаторы в гене водорода изменяют электронную структуру реакции, делая ее более эффективной при производстве водорода.

До сих пор нет никаких коммерческих систем для производства водорода. Это отчасти из-за стоимости. Лучшие катализаторы и сокатализаторы, которые мы нашли, эффективны при помощи химической реакции, но очень дороги. Например, первая перспективная комбинация, диоксид титана и платина была обнаружена в 1972. Платина, однако, очень дорогой металл (более $ 1,000 за унцию). Даже рений, еще один полезный катализатор, стоит около $ 70 за унцию, Металлы, подобные этим, настолько редки в земной коре, что это делает их не подходит для крупномасштабных приложений хотя существуют процессы, которые утилизировать эти материалы.

Поиск нового катализатора

Существует множество требований к хорошему катализатору, например, возможность рециркуляции и способность выдерживать тепло и давление, связанные с реакцией. Но так же важно, насколько распространен материал, потому что самые распространенные катализаторы являются самыми дешевыми.

Одним из новейших и наиболее перспективных материалов является сульфид молибдена MoS?. Поскольку он состоит из элементов молибдена и серы (оба относительно распространены на Земле), он намного дешевле, чем более традиционные катализаторы. хорошо под доллар за унцию, Он также имеет правильные электронные свойства и другие атрибуты.

До позднего 1990, исследователи обнаружили, что сульфид молибдена не особенно эффективен при превращении воды в водород. Но это объяснялось тем, что исследователи использовали толстые куски минерала, по существу, форму, в которой они были добыты с земли. Однако сегодня мы можем использовать такие процессы, как химическое осаждение из паровой фазы or процессы на основе решений создать гораздо более тонкие кристаллы MoS? – даже толщиной в одну молекулу – которые гораздо эффективнее извлекают водород из воды.

Улучшение процесса

Сульфид молибдена может быть еще более эффективным, манипулируя его физическими и электрическими свойствами. Процесс, известный как «изменение фазы», ​​делает больше доступного вещества доступным для реакции получения водорода.

Когда сульфид молибдена образует кристаллы, атомы и молекулы на внешней стороне твердой массы являются готов принять или пожертвовать электроны в воду при возбуждении светом приводит к образованию водорода. Обычно МО? молекулы внутри структуры не будут отдавать или принимать электроны так же эффективно, как краевые участки, и поэтому не может помочь с реакцией.

Но добавление энергии в МоС? к бомбардируя его электронамиили увеличение окружающего давления, вызывает то, что называется "изменение фазы" происходить. Это изменение фазы - это не то, что вы изучаете в основной химии (с участием одного вещества, принимающего формы газа, жидкости или твердого тела), а скорее небольшое структурное изменение в молекулярной структуре, которая меняет MoS? из полупроводника в металл.

В результате электрические свойства молекул внутри стали также становятся доступными для реакции. Это делает возможным такое же количество катализатора 600 раз более эффективен в реакции выделения водорода.

Если методы такого рода прорыва могут быть усовершенствованы, то мы можем стать большим шагом к тому, чтобы сделать производство водорода более дешевым и эффективным, что, в свою очередь, приведет нас к будущему, основанному на действительно чистой и возобновляемой энергии.

Об авторе

Питер Бирли, доктор философии. Кандидат химических наук, Университет Калифорнии, Риверсайд

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

Книги по этой теме

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon