İle Kaliforniya'daki hidrojen santralleri, yeni japon tüketici arabası ve taşınabilir hidrojen yakıt hücreleri Elektronik için, sıfır emisyonlu bir yakıt kaynağı olarak hidrojen artık ortalama olarak tüketici için bir gerçeklik haline geliyor. Bir varlığında oksijen ile birleştirildiğinde katalizatörhidrojen, enerji açığa çıkarır ve su oluşturmak için oksijenle bağlanır.

The iki ana zorluk sahip olduğumuz her şeye hidrojen gücümüzün girmesini önleme hafızası ve üretim. Şu anda, hidrojen üretimi enerji yoğundur ve pahalıdır. Normal olarak, endüstriyel hidrojen üretimi yüksek sıcaklıklar, büyük tesisler ve çok büyük miktarda enerji gerektirir. Aslında, genellikle doğal gaz gibi fosil yakıtlardan gelir - ve bu nedenle aslında sıfır emisyonlu bir yakıt kaynağı değildir. Süreci daha ucuz, verimli ve sürdürülebilir hale getirmek hidrojeni daha yaygın olarak kullanılan bir yakıt haline getirmek için uzun bir yol kat edecektir.

Mükemmel ve bol miktarda bir hidrojen kaynağı sudur. Ancak kimyasal olarak, bu, diğer kimyasallarla birleştirildiğinde hidrojenin enerji saldığı reaksiyonun tersine çevrilmesini gerektirir. Bu, hidrojeni çıkarmak için enerjiyi bir bileşiğe koymamız gerektiği anlamına gelir. Bu sürecin verimliliğini en üst düzeye çıkarmak, temiz enerji geleceği için önemli bir ilerleme olacaktır.

Bir yöntem, hidrojen ve oksijen atomları arasındaki bağlantıları kırmak için gereken enerji miktarını azaltmak için suyun bir yardımcı katalizörle karıştırılmasını içerir. Hidrojen üretimi için umut vaat eden birkaç katalizör var molibden sülfit, grafen ve kadmiyum sülfat. Araştırmam, reaksiyonu daha etkili ve daha verimli hale getirmek için molibden sülfürün moleküler özelliklerini değiştirmeye odaklanır.

Hidrojen yapmak

Hidrojen evrendeki en bol bulunan elementancak nadiren saf hidrojen olarak bulunur. Aksine, diğer elementlerle birleşerek insan vücudunda metanol gibi organik çözücüler ve proteinler gibi çok sayıda kimyasal ve bileşik oluşturur. Saf formu H?, taşınabilir ve verimli bir yakıt olarak kullanılabilir.

Var hidrojen üretmenin birkaç yolu yakıt olarak kullanılabilir olmak. Elektroliz, suyu hidrojen ve oksijene bölmek için elektrik kullanır. Buhar metan reformu metan ile başlar (bir karbon atomuna bağlı dört hidrojen atomu) ve hidrojeni karbondan ayırarak onu ısıtır. Bu enerji yoğun yöntem genellikle endüstrilerin amonyak ya da petrolün rafine edilmesi gibi şeylerde kullanılan hidrojen üretme yöntemidir.

Odaklandığım yöntem fotokatalitik su yarma. Bir katalizörün yardımıyla, suyu hidrojene ve oksijene “bölmek” için gereken enerji miktarı, bir başka bol ışık kaynağı tarafından sağlanabilir. Işığa maruz kaldığında, uygun bir su ve bir katalizör karışımı hem oksijen hem de hidrojen üretir. Bu endüstri için çok çekici çünkü o zaman kirli fosil yakıtlar yerine suyu hidrojen kaynağı olarak kullanmamıza izin veriyor.

Katalizörleri anlama

Tıpkı her iki insanın aynı asansördeyken bir konuşma başlatması gibi, sadece iki malzeme tanıtıldığı için bazı kimyasal etkileşimler oluşmaz. Su molekülleri, enerji ilavesiyle hidrojene ve oksijene ayrılabilir, ancak gereken enerji miktarı, reaksiyonun bir sonucu olarak ortaya çıkacak olandan daha fazla olacaktır.

Bazen işleri halletmek için üçüncü bir parti gerekir. Kimyada buna katalizör denir. Kimyasal olarak konuşursak, bir katalizör iki bileşiğin reaksiyona girmesi için gereken enerji miktarını azaltır. Bazı katalizörler sadece ışığa maruz kaldıklarında çalışırlar. Bu bileşikler, titanyum dioksit gibi fotokatalistler denir.

Karışımdaki bir fotokatalist ile, suyu ayırmak için gereken enerji önemli ölçüde düşer, böylece efor işlem sonunda bir enerji kazancı sağlar. Yardımcı katalizör adı verilen bir rolde başka bir madde ekleyerek bölünmeyi daha verimli hale getirebiliriz. Hidrojen üretiminde ko-katalizörler, reaksiyonun elektronik yapısını değiştirerek hidrojen üretiminde daha etkili hale getirir.

Şimdiye kadar, bu şekilde hidrojen üretmek için ticari sistemler mevcut değildir. Bu kısmen maliyeti nedeniyle. Bulduğumuz en iyi katalizörler ve yardımcı katalizörler kimyasal reaksiyona yardımcı olmakta etkilidirler, ancak çok pahalıdırlar. Örneğin, ilk ümit verici kombinasyon olan titanyum dioksit ve platin 1972'te keşfedildi. Ancak Platin, çok pahalı bir metaldir (ons başına US $ 1,000'in üzerinde). Diğer bir yararlı katalizör olan renyum bile, ons başına 70 $ maliyeti. Bu gibi metaller Dünya'nın kabuğunda çok nadir görülür, bu onları yapar büyük ölçekli uygulamalar için uygun değildir geliştirilmekte olan süreçler olsa bile bu malzemeleri geri dönüştür.

Yeni bir katalizör bulma

İyi bir katalizör için, geri dönüştürülebilmesi ve reaksiyonda yer alan ısı ve basınca dayanabilmesi gibi birçok gereksinim vardır. Ancak, en önemli katalizörler en ucuzları olduğu için, malzemenin ne kadar yaygın olduğu kadar önemlidir.

En yeni ve en umut verici malzemelerden biri molibden sülfit MoS?'dir. Her ikisi de Dünya'da nispeten yaygın olan molibden ve kükürt elementlerinden oluştuğu için, geleneksel katalizörlerden çok daha ucuzdur. ons başına bir doların altında. Aynı zamanda doğru elektronik özelliklere ve diğer özelliklere sahiptir.

1990'lerin sonlarından önceAraştırmacılar, molibden sülfitin, suyu hidrojene dönüştürmede özellikle etkili olmadığını bulmuşlardır. Ancak bunun nedeni araştırmacıların, madenin kalın parçalarını, esasen zeminden çıkarıldığı zamanki formunu kullanmalarıydı. Bugün ise, gibi işlemleri kullanabiliriz kimyasal buhar birikimi or çözüme dayalı süreçler çok daha ince MoS kristalleri oluşturmak için? – tek bir molekülün kalınlığına kadar – sudan hidrojenin çıkarılmasında çok daha verimlidirler.

Süreci daha da iyi yapmak

Molibden sülfit, fiziksel ve elektriksel özellikleri değiştirilerek daha da etkili hale getirilebilir. “Faz değişimi” olarak bilinen bir işlem, hidrojen üreten reaksiyona katılmak için daha fazla maddeyi mümkün kılar.

Molibden sülfit kristalleri oluştururken, katı kütlenin dışındaki atomlar ve moleküller suya elektronları kabul etmeye veya bağışlamaya hazır hidrojenin oluşumunu sağlamak için ışık tarafından uyarıldığında. Normalde MoS? Yapının içindeki moleküller elektron bağışlamayacak veya kabul etmeyecektir. en son siteler kadar verimlive bu yüzden reaksiyona o kadar yardım edemez.

Ancak MoS'ye enerji eklemek? ile elektronlarla bombardımanya da çevreleyen basıncı arttırmak, ne denir neden olur “faz değişimi" ceryan etmek. Bu faz değişimi temel kimyada öğrendiğiniz şey değildir (gaz, sıvı veya katı hal alan bir maddeyi içeren), fakat moleküler düzenlemede hafif bir yapısal değişiklik MoS'yi değiştiriyor mu? yarı iletkenden metale.

Sonuç olarak, iç kısımdaki moleküllerin elektriksel özellikleri de reaksiyon için uygun hale gelir. Bu, aynı miktarda katalizörü potansiyel olarak yapar 600 kat daha etkili Hidrojen evrim reaksiyonunda.

Bu tür bir atılımın arkasındaki yöntemler mükemmelleştirilebiliyorsa, hidrojen üretimini daha ucuz ve verimli hale getirmek için daha büyük bir adım olabiliriz, bu da bizi gerçekten temiz, yenilenebilir enerji ile çalışan bir geleceğe taşıyacak.

Yazar hakkında

Peter Byrley, Ph.D. Kimya Mühendisliğinde Aday, California Üniversitesi, Riverside

Bu yazı orijinalinde Konuşma. Okumak Orijinal makale.

İlgili Kitaplar

at InnerSelf Pazarı ve Amazon