Kanssa vesivoimaloita Kaliforniassa, The uusi japanilainen kulutusauto ja kannettavat vetypolttoainekennot elektroniikan osalta vety on nollapäästöinen polttoaine- lähde, josta on nyt tulossa todellisuutta keskivertokuluttajalle. Kun se yhdistetään hapen kanssa a katalyytti, vety vapauttaa energiaa ja sitoo happea muodostamaan vettä.
- kaksi pääasiallista ongelmaa estää meitä saamasta vetyä kaikkea, mitä meillä on Levytila ja tuotanto. Tällä hetkellä vetytuotanto on energiaintensiivistä ja kallista. Normaalisti vedyn teollinen tuotanto vaatii korkeita lämpötiloja, suuria tiloja ja valtavan määrän energiaa. Itse asiassa se tulee yleensä fossiilisista polttoaineista, kuten maakaasusta - ja siksi se ei itse asiassa ole nollapäästöistä peräisin oleva polttoaine. Prosessin halvemmaksi, tehokkaammaksi ja kestävämmäksi tekeminen edistäisi pitkälle vetyä yleisesti käytetyksi polttoaineeksi.
Erinomainen - ja runsas - vedyn lähde on vesi. Mutta kemiallisesti tämä edellyttää käänteistä reaktiota, jossa vety vapauttaa energiaa yhdistettäessä muihin kemikaaleihin. Tämä tarkoittaa, että meidän on asetettava energia yhdisteeseen, jotta saadaan vety ulos. Prosessin tehokkuuden maksimointi olisi merkittävä edistysaskel kohti puhtaan energian tulevaisuutta.
Yksi menetelmä käsittää veden sekoittamisen hyödyllisen kemikaalin kanssa, katalyytin, vesien ja happiatomien välisten yhteyksien katkaisemiseksi tarvittavan energian määrän vähentämiseksi. Vetyä tuotetaan useita lupaavia katalyyttejä, mukaan lukien molybdeenisulfidi, grafeeni ja kadmiumsulfaatti. Tutkimukseni keskittyy molybdeenisulfidin molekyyliominaisuuksien muuttamiseen reaktion tehostamiseksi ja tehostamiseksi.
Vetyä
Vety on maailmankaikkeuden monipuolisin elementti, mutta sitä on harvoin saatavana puhtaana vetynä. Pikemminkin se yhdistyy muiden alkuaineiden kanssa muodostaen monia kemikaaleja ja yhdisteitä, kuten orgaanisia liuottimia, kuten metanolia, ja proteiineja ihmiskehossa. Sen puhdasta muotoa, H?, voidaan käyttää kuljetettavana ja tehokkaana polttoaineena.
On useita tapoja tuottaa vetyä käytettäväksi polttoaineena. Elektrolyysi käyttää sähköä veden jakamiseen vetyyn ja happeen. Höyrymetaanin uudistaminen alkaa metaanista (neljä vetyatomia sitoutuu hiiliatomiin) ja lämmittää sen erottamalla vety hiilestä. Tämä energiatehokas menetelmä on yleensä se, miten teollisuus tuottaa vetyä, jota käytetään esimerkiksi ammoniakin tuottamisessa tai öljynjalostuksessa.
Menetelmä, johon keskityn fotokatalyyttinen veden halkaisu. Katalysaattorin avulla vettä, joka tarvitaan veden "halkaisemiseksi" vetyyn ja happeen, voidaan tuottaa toisella runsaalla resurssivalolla. Valolle altistettuna sopiva veden ja katalyytin seos tuottaa sekä happea että vetyä. Tämä on erittäin houkutteleva teollisuudelle, koska sen avulla voimme käyttää vettä vedyn lähteenä likaisen fossiilisten polttoaineiden sijaan.
Katalyyttien ymmärtäminen
Aivan kuten kaikki kaksi ihmistä eivät aloita keskustelua, jos he ovat samassa hississä, jotkut kemialliset vuorovaikutukset eivät tapahdu vain siksi, että nämä kaksi materiaalia otetaan käyttöön. Vesimolekyylit voidaan jakaa vetyksi ja happeksi lisäämällä energiaa, mutta tarvittavan energian määrä olisi suurempi kuin reaktion tuloksena syntyvä.
Joskus se vie kolmannen osapuolen saadakseen asiat. Kemiaa kutsutaan katalysaattoriksi. Kemiallisesti ottaen katalyytti alentaa kahden yhdisteen reagoimiseksi tarvittavan energian määrää. Jotkut katalyytit toimivat vain valolle altistuna. Nämä yhdisteet, kuten titaanidioksidi, ovat nimeltään fotokatalyytit.
Kun valokatalyytti on sekoituksessa, veden jakamiseen tarvittava energia putoaa merkittävästi, niin että pyyntipiste vertaa energiahyötyä prosessin lopussa. Voimme tehdä jakamisen entistä tehokkaammaksi lisäämällä toista ainetta, rinnakkaiskatalysaattorina. Katalyytit vetytuotannossa muuttavat reaktion elektronista rakennetta, mikä tekee siitä tehokkaamman vedyn tuottamisessa.
Tähän mennessä ei ole mitään kaupallisia järjestelmiä vetyä varten. Tämä johtuu osittain kustannuksista. Parhaat katalyytit ja katalyytit, jotka olemme löytäneet, ovat tehokkaita auttamaan kemiallisen reaktion kanssa, mutta ovat erittäin kalliita. Esimerkiksi ensimmäinen lupaava yhdistelmä, titaanidioksidi ja platina, löydettiin 1972ista. Platina on kuitenkin erittäin kallis metalli (paljon yli US $ 1,000 per unssi). Jopa renium, toinen hyödyllinen katalyytti, maksaa noin $ 70 unssilta. Tällaiset metallit ovat niin harvinaisia maapallon kuoressa, että tämä tekee niistä ei sovellu suuriin sovelluksiin vaikka prosesseja on kehitetty kierrättää nämä materiaalit.
Uuden katalyytin löytäminen
Hyvää katalyyttiä varten on monia vaatimuksia, kuten voidaan kierrättää ja kestää reaktioon liittyvä lämpö ja paine. Mutta aivan yhtä tärkeää on, kuinka yleinen materiaali on, koska kaikkein runsaimmat katalyytit ovat halvimmat.
Yksi uusimmista ja lupaavimmista materiaaleista on molybdeenisulfidi, MoS?. Koska se koostuu molybdeenistä ja rikistä – molemmat suhteellisen yleisiä maapallolla – se on paljon halvempaa kuin perinteiset katalyytit, hyvin alle dollarin unssilta. Sillä on myös oikeat elektroniset ominaisuudet ja muut ominaisuudet.
Ennen myöhäistä 1990iatutkijat olivat huomanneet, että molybdeenisulfidi ei ollut erityisen tehokas vedessä vetyä. Mutta se johtui siitä, että tutkijat käyttivät paksuja mineraalikappaleita, jotka olivat pääasiassa siinä muodossa, kun se kaivettiin maasta. Tänään voimme kuitenkin käyttää tällaisia prosesseja kemiallinen höyrysaostus or ratkaisupohjaiset prosessit luoda paljon ohuempia MoS-kiteitä? – jopa yhden molekyylin paksuuteen asti – jotka ovat huomattavasti tehokkaampia vedyn erottamisessa vedestä.
Prosessin tehostaminen
Molybdeenisulfidia voidaan tehostaa entisestään manipuloimalla sen fysikaalisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Prosessi, joka tunnetaan nimellä "vaihemuutos", tekee enemmän aineesta käytettävissä osallistumaan vetyä tuottavaan reaktioon.
Kun molybdeenisulfidi muodostaa kiteitä, kiinteän massan ulkopuolella olevat atomit ja molekyylit ovat valmis hyväksymään tai lahjoittamaan elektroneja veteen kun valo kiihottaa vedyn muodostumista. Normaalisti MoS? rakenteen sisällä olevat molekyylit eivät luovuta tai ota vastaan elektroneja yhtä tehokkaasti kuin reunat, ja niin ei voi auttaa yhtä paljon reaktioon.
Mutta energian lisääminen MoS? kirjoittaja pommittaa sen elektronien avullatai ympäröivän paineen lisääminen, aiheuttaa mitä kutsutaan ”vaiheen muutos" Tapahtua. Tämä vaihemuutos ei ole se, mitä opit peruskemiassa (johon liittyy yksi kaasun, nestemäisen tai kiinteän aineen muodostava aine), vaan pienen rakenteellisen muutoksen molekyylijärjestelyssä, joka muuttaa MoS? puolijohteesta metalliksi.
Tämän seurauksena myös sisäpuolisten molekyylien sähköiset ominaisuudet tulevat saataville myös reaktioon. Tämä tekee saman määrän katalyyttiä mahdollisesti 600-ajat ovat tehokkaampia vedyn kehittymisreaktiossa.
Jos tällaisen läpimurron takana olevia menetelmiä voidaan täydentää, saatamme olla iso askel lähemmäs, jotta vetytuotanto olisi halvempaa ja tehokkaampaa, mikä puolestaan siirtää meidät kohti todellista puhdasta, uusiutuvaa energiaa.
Author
Peter Byrley, Ph.D. Kemian tekniikan kandidaatti Kalifornian yliopisto, Riverside
Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.
Liittyvät kirjat
at InnerSelf Market ja Amazon
