brint fra vand9 9

Med brintkraftværker i Californien, en ny japansk forbrugerbil , bærbare brintceller for elektronik er brint som en nulemissionsbrændstofkilde nu endelig ved at blive en realitet for gennemsnitsforbrugeren. Når det kombineres med ilt i nærværelse af en katalysatorfrigiver brint energi og binder med iltet til dannelse af vand.

to hovedvanskeligheder forhindrer os i at have brintkraft, alt hvad vi har, er opbevaring og produktion. I øjeblikket er brintproduktion energiintensiv og dyr. Normalt kræver industriel produktion af brint høje temperaturer, store faciliteter og en enorm mængde energi. Faktisk kommer det normalt fra fossile brændstoffer som naturgas - og er derfor ikke faktisk en nulemissionsbrændstofkilde. At gøre processen billigere, effektiv og bæredygtig ville gå langt i retning af at gøre brint til et mere almindeligt anvendt brændstof.

En fremragende - og rigelig - kilde til brint er vand. Men kemisk kræver det at vende reaktionen, hvor brint frigiver energi, når det kombineres med andre kemikalier. Det betyder, at vi er nødt til at lægge energi i en forbindelse for at få brintet ud. Maksimering af effektiviteten af ​​denne proces ville være betydelige fremskridt hen imod en fremtid med ren energi.

En metode involverer at blande vand med et nyttigt kemikalie, en katalysator, for at reducere den nødvendige mængde energi til at bryde forbindelserne mellem brint og iltatomer. Der er flere lovende katalysatorer til brintgenerering, herunder molybdensulfid, grafen og cadmiumsulfat. Min forskning fokuserer på at ændre molybdensulfids molekylære egenskaber for at gøre reaktionen endnu mere effektiv og mere effektiv.

Fremstilling af brint

Brint er det mest almindelige element i universet, but it’s rarely available as pure hydrogen. Rather, it combines with other elements to form a great many chemicals and compounds, such as organic solvents like methanol, and proteins in the human body. Its pure form, H?, can used as a transportable and efficient fuel.


indre selv abonnere grafik


Der er flere måder at producere brint på at være anvendelig som brændstof. Elektrolyse bruger elektricitet til at opdele vand i brint og ilt. Dampmetanreformering starter med metan (fire hydrogenatomer bundet til et carbonatom) og opvarmer det og adskiller brintet fra kulstoffet. Denne energiintensive metode er normalt, hvordan industrier producerer brint, der bruges til ting som at producere ammoniak eller raffinering af olie.

Metoden jeg fokuserer på er fotokatalytisk vandopdeling. Med en katalysators hjælp kan den nødvendige mængde energi til at "opdele" vand i brint og ilt tilvejebringes af en anden rigelig ressource - lys. Når det udsættes for lys, producerer en ordentlig blanding af vand og en katalysator både ilt og brint. Dette er meget attraktivt for industrien, fordi det derefter giver os mulighed for at bruge vand som kilde til brint i stedet for snavsede fossile brændstoffer.

Forståelse af katalysatorer

Ligesom ikke hver anden person starter en samtale, hvis de er i samme elevator, forekommer nogle kemiske interaktioner ikke bare fordi de to materialer introduceres. Vandmolekyler kan opdeles i brint og ilt med tilsætning af energi, men den nødvendige mængde energi ville være mere end der ville genereres som et resultat af reaktionen.

Nogle gange tager det en tredjepart at få tingene i gang. I kemi kaldes det en katalysator. Kemisk sænker en katalysator den mængde energi, der er nødvendig for, at to forbindelser kan reagere. Nogle katalysatorer fungerer kun, når de udsættes for lys. Disse forbindelser, ligesom titandioxid, er kaldes fotokatalysatorer.

Med en fotokatalysator i blandingen falder den nødvendige energi til at opdele vand betydeligt, så indsatsen giver en energiforøgelse i slutningen af ​​processen. Vi kan gøre spaltningen endnu mere effektiv ved at tilføje et andet stof i en rolle kaldet co-katalysator. Co-katalysatorer i brintgenerering ændrer reaktionens elektroniske struktur, hvilket gør den mere effektiv til produktion af brint.

Indtil videre er der ikke nogen kommercielle systemer til produktion af brint på denne måde. Dette skyldes delvis omkostninger. De bedste katalysatorer og co-katalysatorer, vi har fundet, er effektive til at hjælpe med den kemiske reaktion, men er meget dyre. For eksempel blev den første lovende kombination, titandioxid og platin, opdaget i 1972. Platin er imidlertid et meget dyrt metal (godt over US $ 1,000 pr. ounce). Selv rhenium, en anden nyttig katalysator, koster omkring $ 70 en ounce. Metaller som disse er så sjældne i jordskorpen, at dette gør dem ikke egnet til store applikationer selvom der er processer, der udvikles til genbrug disse materialer.

Find en ny katalysator

Der er mange krav til en god katalysator, såsom at kunne genbruges og at være i stand til at modstå varmen og trykket involveret i reaktionen. Men lige så afgørende er, hvor almindeligt materialet er, fordi de mest rigelige katalysatorer er de billigste.

One of the newest and most promising materials is molybdenum sulfide, MoS?. Because it is made up of the elements molybdenum and sulfur – both relatively common on Earth – it is far cheaper than more traditional catalysts, godt under en dollar pr. ounce. Det har også de korrekte elektroniske egenskaber og andre attributter.

Før slutningen af ​​1990'erne, havde forskere fundet, at molybdensulfid ikke var særlig effektiv til at omdanne vand til brint. Men det var fordi forskere brugte tykke bidder af mineralet, i det væsentlige den form, det er i, når det udvindes fra jorden. I dag kan vi dog bruge processer som f.eks kemisk dampaflejring or løsningsbaserede processer to create much thinner crystals of MoS? – even down to the thickness of a single molecule – which are vastly more efficient at extracting hydrogen from water.

Gør processen endnu bedre

Molybdensulfid kan gøres endnu mere effektivt ved at manipulere dets fysiske og elektriske egenskaber. En proces kendt som "faseændring" gør mere af stoffet tilgængeligt til at deltage i den hydrogenproducerende reaktion.

Når molybdensulfid danner krystaller, er atomerne og molekylerne på ydersiden af ​​den faste masse klar til at acceptere eller donere elektroner til vand when excited by light to drive the creation of hydrogen. Normally, the MoS? molecules on the inside of the structure will not donate or accept electrons lige så effektivt som kantstederneog kan så ikke hjælpe så meget med reaktionen.

But adding energy to the MoS? by bombardere det med elektroner eller øge det omgivende tryk, forårsager det, der kaldes “faseændring" at forekomme. Denne faseændring er ikke, hvad du lærer i grundlæggende kemi (involverer et stof, der tager form af gas, flydende eller fast stof), men snarere en lille strukturel ændring i det molekylære arrangement, som changes the MoS? from a semiconductor to a metal.

Som et resultat bliver de elektriske egenskaber af molekylerne på indersiden også tilgængelige for reaktionen. Dette gør den samme mængde katalysator potentielt 600 gange mere effektiv i hydrogenudviklingsreaktionen.

Hvis metoderne bag denne slags gennembrud kan perfektioneres, kan vi være et stort skridt tættere på at gøre brintproduktionen billigere og mere effektiv, hvilket igen vil føre os mod en fremtid drevet af virkelig ren, vedvarende energi.

Om forfatteren

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

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.

Relaterede bøger

at InnerSelf Market og Amazon