водень з води9 9

з водневі електростанції в Каліфорнії, то новий автомобіль японського споживання та портативні водневі паливні елементи для електроніки водень як джерело палива з нульовими викидами зараз остаточно стає реальністю для пересічного споживача. У поєднанні з киснем у присутності a каталізатор, водень виділяє енергію і зв’язується з киснем, утворюючи воду.

Команда дві основні труднощі заважає нам мати водневу енергію все, що ми маємо зберігання та виробництво. На даний момент виробництво водню є енергоємним і дорогим. Зазвичай для промислового виробництва водню потрібні високі температури, великі потужності та величезна кількість енергії. Насправді, він зазвичай надходить з викопного палива, такого як природний газ-і тому насправді не є джерелом палива з нульовими викидами. Зроблення процесу більш дешевим, ефективним та стабільним значною мірою сприяло б перетворенню водню на більш часто використовуване паливо.

Відмінне - і рясне - джерело водню - це вода. Але хімічно це вимагає зворотної реакції, при якій водень виділяє енергію при поєднанні з іншими хімічними речовинами. Це означає, що ми повинні вкласти енергію в сполуку, щоб вивести водень. Максимальне підвищення ефективності цього процесу стало б значним прогресом до майбутнього чистої енергії.

Один із способів передбачає змішування води з корисною хімічною речовиною - каталізатором, щоб зменшити кількість енергії, необхідної для розриву зв’язків між атомами водню та кисню. Існує кілька перспективних каталізаторів виробництва водню, у тому числі сульфід молібдену, графен і сульфат кадмію. Моє дослідження зосереджено на зміні молекулярних властивостей сульфіду молібдену, щоб зробити реакцію ще більш ефективною та ефективною.

Отримання водню

Водень - це найпоширеніший елемент у Всесвіті, 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.


Innersele підписатися графіка


Існує Кілька способів отримання водню можна використовувати як паливо. Електроліз використовує електрику для розщеплення води на водень і кисень. Паровий риформінг метану починається з метану (чотири атоми водню, пов'язаних з атомом вуглецю) і нагріває його, відокремлюючи водень від вуглецю. Зазвичай цей енергоємний метод зазвичай виробляє водень, який використовується для виробництва аміаку або переробки нафти.

Метод, на якому я зосереджуюсь, - це фотокаталітичне розщеплення води. За допомогою каталізатора кількість енергії, необхідної для «розщеплення» води на водень і кисень, може забезпечувати інший рясний ресурс - світло. Під впливом світла правильна суміш води і каталізатора виробляє і кисень, і водень. Це дуже привабливо для промисловості, оскільки воно дозволяє нам використовувати воду як джерело водню замість брудного викопного палива.

Розуміння каталізаторів

Так само, як не кожні дві людини починають розмову, якщо вони в одному ліфті, деякі хімічні взаємодії не відбуваються лише тому, що ці два матеріали введені. Молекули води можна розщепити на водень і кисень з додаванням енергії, але кількість необхідної енергії буде більшим, ніж було б утворено в результаті реакції.

Іноді для того, щоб все почалося, потрібна третя сторона. У хімії це називається каталізатором. Хімічно кажучи, каталізатор знижує кількість енергії, необхідної для взаємодії двох сполук. Деякі каталізатори функціонують лише під впливом світла. Ці сполуки, як і діоксид титану, є називаються фотокаталізаторами.

З використанням фотокаталізатора в суміші енергія, необхідна для розщеплення води, значно падає, так що зусилля приносять енергію в кінці процесу. Ми можемо зробити розщеплення ще більш ефективним, додавши іншу речовину у ролі, яка називається сокаталізатором. Кокаталізатори, що утворюють водень, змінюють електронну структуру реакції, роблячи її більш ефективною при виробництві водню.

Поки що немає комерційних систем для виробництва водню таким способом. Частково це через вартість. Найкращі каталізатори та спікаталізатори, які ми знайшли, ефективно допомагають у хімічній реакції, але коштують дуже дорого. Наприклад, перша перспективна комбінація, діоксид титану і платина, була відкрита в 1972 р. Однак платина - дуже дорогий метал (більше ніж 1,000 доларів США за унцію). Навіть реній, ще один корисний каталізатор, коштує близько 70 доларів за унцію. Такі метали настільки рідкісні в земній корі, що це робить їх такими не підходить для масштабних застосувань навіть незважаючи на те, що існують процеси, які розробляються переробляти ці матеріали.

Пошук нового каталізатора

Існує багато вимог до хорошого каталізатора, наприклад, можливість його переробки та здатність витримувати тепло та тиск, що беруть участь у реакції. Але настільки ж важливим є те, наскільки поширеним є цей матеріал, адже найпоширеніші каталізатори є найдешевшими.

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, значно нижче долара за унцію. Він також має правильні електронні властивості та інші атрибути.

До кінця 1990 -х років, дослідники виявили, що сульфід молібдену не особливо ефективний при перетворенні води на водень. Але це сталося тому, що дослідники використовували товсті шматки мінералу, по суті, у такій формі, як вони видобуваються із землі. Однак сьогодні ми можемо використовувати такі процеси, як осадження хімічної пари or процеси на основі рішення 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.

Робить процес ще кращим

Сульфід молібдену можна зробити ще більш ефективним, маніпулюючи його фізичними та електричними властивостями. Процес, відомий як «зміна фази», робить більшу кількість речовини доступною для участі у реакції виробництва водню.

Коли сульфід молібдену утворює кристали, атоми та молекули на зовнішній стороні твердої маси є готові прийняти або віддати електрони у воду 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 так само ефективно, як і крайні сайти, і тому не може так сильно допомогти реакції.

But adding energy to the MoS? by бомбардуючи його електронамиабо збільшення навколишнього тиску, викликає те, що називається "зміна фаз" відбуватися. Ця фазова зміна - це не те, що ви вивчаєте в базовій хімії (включаючи одну речовину, що приймає форму газу, рідини або твердого тіла), а скоріше невелику структурну зміну молекулярного розташування, що changes the MoS? from a semiconductor to a metal.

В результаті, електричні властивості молекул всередині також стають доступними для реакції. Це потенційно робить таку ж кількість каталізатора У 600 разів ефективніше в реакції виділення водню.

Якщо методи, що лежать в основі такого прориву, можуть бути вдосконалені, то ми можемо стати великим кроком наближення до того, щоб виробництво водню стало дешевшим та ефективнішим, що, у свою чергу, рухатиме нас до майбутнього, яке буде жити по -справжньому чистою, відновлюваною енергією.

про автора

Пітер Бірлі, доктор філософії Кандидат хімічних наук, Каліфорнійський університет, Ріверсайд

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

Суміжні книги

at InnerSelf Market і Amazon