waterstof uit water9 9

met waterstofcentrales in Californië, een nieuwe Japanse consumentenauto en draagbare waterstof-brandstofcellen voor elektronica wordt waterstof als brandstofbron met nulemissie nu eindelijk werkelijkheid voor de gemiddelde consument. In combinatie met zuurstof in de aanwezigheid van een katalysator, waterstof releases energie en obligaties met de zuurstof om water te vormen.

De twee belangrijke problemen voorkomen dat we waterstofvermogen hebben, alles wat we hebben zijn mediaopslag en productie. Op dit moment is waterstofproductie energie-intensief en duur. Normaal gesproken vereist de industriële productie van waterstof hoge temperaturen, grote voorzieningen en een enorme hoeveelheid energie. In feite komt het meestal van fossiele brandstoffen zoals aardgas - en daarom is het feitelijk geen brandstof met nulemissie. Door het proces goedkoper, efficiënter en duurzamer te maken, zou waterstof een veel gebruikte brandstof worden.

Een uitstekende - en overvloedige - bron van waterstof is water. Maar chemisch gezien vereist dit het omkeren van de reactie waarbij waterstof energie vrijgeeft bij combinatie met andere chemicaliën. Dat betekent dat we energie in een compound moeten stoppen om de waterstof eruit te krijgen. Het maximaliseren van de efficiëntie van dit proces zou een aanzienlijke vooruitgang betekenen in de richting van een toekomst met schone energie.

Eén methode omvat het mengen van water met een nuttige chemische stof, een katalysator, om de hoeveelheid energie te verminderen die nodig is om de verbindingen tussen waterstof- en zuurstofatomen te verbreken. Er zijn verschillende veelbelovende katalysatoren voor het genereren van waterstof, waaronder molybdeensulfide, grafeen en cadmiumsulfaat. Mijn onderzoek richt zich op het modificeren van de moleculaire eigenschappen van molybdeensulfide om de reactie nog effectiever en efficiënter te maken.

Waterstof maken

Waterstof is het meest voorkomende element in het universum, maar het is zelden beschikbaar als pure waterstof. Integendeel, het combineert met andere elementen om een ​​groot aantal chemicaliën en verbindingen te vormen, zoals organische oplosmiddelen zoals methanol, en eiwitten in het menselijk lichaam. De pure vorm, H?, kan worden gebruikt als transporteerbare en efficiënte brandstof.


innerlijk abonneren grafisch


Er zijn verschillende manieren om waterstof te produceren om bruikbaar te zijn als brandstof. Elektrolyse gebruikt elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Stoom methaan reformeren begint met methaan (vier waterstofatomen gebonden aan een koolstofatoom) en verwarmt het, het scheiden van de waterstof van de koolstof. Deze energie-intensieve methode is meestal hoe industrieën waterstof produceren dat wordt gebruikt in zaken als ammoniak produceren of het raffineren van olie.

De methode waar ik me op concentreer, is fotokatalytische watersplitsing. Met behulp van een katalysator kan de hoeveelheid energie die nodig is om water in waterstof en zuurstof te "splitsen" worden geleverd door een ander overvloedig hulpbronlicht. Bij blootstelling aan licht produceert een goed mengsel van water en een katalysator zowel zuurstof als waterstof. Dit is zeer aantrekkelijk voor de industrie, omdat we dan water als bron van waterstof kunnen gebruiken in plaats van vuile fossiele brandstoffen.

Katalysatoren begrijpen

Net zoals niet elke twee mensen een gesprek beginnen als ze in dezelfde lift zitten, treden sommige chemische interacties niet op, alleen omdat de twee materialen worden geïntroduceerd. Watermoleculen kunnen worden gesplitst in waterstof en zuurstof met de toevoeging van energie, maar de benodigde hoeveelheid energie zou meer zijn dan zou worden gegenereerd als een resultaat van de reactie.

Soms is een derde partij nodig om zaken op gang te brengen. In de chemie wordt dat een katalysator genoemd. Chemisch gezien verlaagt een katalysator de hoeveelheid energie die nodig is om twee verbindingen te laten reageren. Sommige katalysatoren werken alleen bij blootstelling aan licht. Deze verbindingen, zoals titaniumdioxide, zijn genoemd fotokatalysatoren.

Met een fotokatalysator in de mix, is de energie die nodig is om waterdruppels te splitsen aanzienlijk, zodat de inspanning een energiewinst oplevert aan het einde van het proces. We kunnen de splitsing nog efficiënter maken door een andere stof toe te voegen, in een rol die co-katalysator wordt genoemd. Co-katalysatoren bij de productie van waterstof veranderen de elektronische structuur van de reactie, waardoor deze effectiever wordt in het produceren van waterstof.

Tot nu toe zijn er geen gecommercialiseerde systemen voor het produceren van waterstof op deze manier. Dit komt deels door de kosten. De beste katalysatoren en co-katalysatoren die we hebben gevonden, zijn efficiënt in het helpen van de chemische reactie, maar zijn erg duur. De eerste veelbelovende combinatie, titaniumdioxide en platina, werd bijvoorbeeld ontdekt in 1972. Platina is echter een erg duur metaal (meer dan US $ 1,000 per ounce). Zelfs rhenium, een andere nuttige katalysator, kost ongeveer $ 70 per gram. Metalen zoals deze zijn zo zeldzaam in de aardkorst dat dit ze maakt niet geschikt voor grootschalige toepassingen hoewel er processen worden ontwikkeld om recycleer deze materialen.

Een nieuwe katalysator vinden

Er zijn veel vereisten voor een goede katalysator, zoals het kunnen worden gerecycled en bestand zijn tegen de hitte en druk die bij de reactie zijn betrokken. Maar net zo cruciaal is hoe gebruikelijk het materiaal is, omdat de meest voorkomende katalysatoren de goedkoopste zijn.

Een van de nieuwste en meest veelbelovende materialen is molybdeensulfide, MoS?. Omdat het bestaat uit de elementen molybdeen en zwavel – beide relatief gebruikelijk op aarde – is het veel goedkoper dan meer traditionele katalysatoren. ruim onder een dollar per ounce. Het heeft ook de juiste elektronische eigenschappen en andere kenmerken.

Voor de late 1990s, onderzoekers hadden ontdekt dat molybdeensulfide niet bijzonder effectief was in het veranderen van water in waterstof. Maar dat kwam omdat onderzoekers dikke brokken van het mineraal gebruikten, in wezen de vorm waarin het zich bevindt als het van de grond wordt gehaald. Tegenwoordig kunnen we echter processen gebruiken zoals chemische dampafzetting or oplossingsgerichte processen om veel dunnere kristallen van MoS te maken? – zelfs tot de dikte van een enkel molecuul – die veel efficiënter zijn in het extraheren van waterstof uit water.

Het proces nog beter maken

Molybdeensulfide kan nog effectiever worden gemaakt door de fysieke en elektrische eigenschappen ervan te manipuleren. Een proces dat bekend staat als "faseverandering" maakt meer van de stof beschikbaar om deel te nemen aan de waterstofproducerende reactie.

Wanneer molybdeensulfide kristallen vormt, zijn de atomen en moleculen aan de buitenkant van de vaste massa klaar om elektronen te accepteren of te doneren aan water wanneer ze door licht worden opgewonden om de vorming van waterstof te stimuleren. Normaal gesproken de MoS? moleculen aan de binnenkant van de structuur zullen geen elektronen doneren of accepteren even efficiënt als de edge-sitesen kan dus niet zoveel helpen met de reactie.

Maar energie toevoegen aan de MoS? door het bombarderen met elektronenof het verhogen van de omgevingsdruk, veroorzaakt wat wordt genoemd "faseverandering"Optreden. Deze faseverandering is niet wat je leert in basale chemie (waarbij één substantie die vormen van gas, vloeistof of vaste stof omvat), maar eerder een kleine structurele verandering in de moleculaire rangschikking die verandert de MoS? van halfgeleider tot metaal.

Als gevolg hiervan worden de elektrische eigenschappen van de moleculen aan de binnenkant ook beschikbaar voor de reactie. Dit maakt potentieel dezelfde hoeveelheid katalysator mogelijk 600 keer effectiever in de waterstofevolutie reactie.

Als de methoden achter dit soort doorbraak kunnen worden geperfectioneerd, dan zijn we misschien een grote stap dichter bij het goedkoper en efficiënter maken van waterstofproductie, wat ons weer in de richting van een toekomst zal brengen die wordt aangedreven door echt schone, hernieuwbare energie.

Over de auteur

Peter Byrley, Ph.D. Kandidaat in Chemical Engineering, Universiteit van Californië, Riverside

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon