Dengan stesen janakuasa hidrogen di California, kereta pengguna Jepun baru and sel bahan api hidrogen mudah alih untuk elektronik, hidrogen sebagai sumber bahan api pelepasan sifar kini akhirnya menjadi kenyataan bagi pengguna biasa. Apabila digabungkan dengan oksigen di hadapan a pemangkin, hidrogen melepaskan tenaga dan ikatan dengan oksigen untuk membentuk air.

. dua kesukaran utama menghalang kita daripada mempunyai kuasa hidrogen yang kita ada penyimpanan dan pengeluaran. Pada masa ini, pengeluaran hidrogen adalah intensif tenaga dan mahal. Biasanya pengeluaran perindustrian hidrogen memerlukan suhu tinggi, kemudahan besar dan jumlah tenaga yang sangat besar. Malah, ia biasanya berasal daripada bahan api fosil seperti gas semulajadi - dan oleh itu tidak benar-benar sumber bahan api pelepasan sifar. Membuat proses yang lebih murah, cekap dan mampan akan pergi jauh ke arah menjadikan hidrogen sebagai bahan bakar yang lebih biasa digunakan.

Sumber air hidrogen yang sangat baik dan banyak adalah air. Tetapi secara kimia, yang memerlukan menterbalikkan tindak balas di mana hidrogen melepaskan tenaga apabila menggabungkan dengan bahan kimia lain. Itu bermakna kita perlu meletakkan tenaga ke dalam sebatian, untuk mendapatkan hidrogen. Memaksimumkan kecekapan proses ini akan menjadi kemajuan yang ketara ke arah masa depan bersih tenaga.

Satu kaedah melibatkan mencampurkan air dengan bahan kimia berguna, pemangkin, untuk mengurangkan jumlah tenaga yang diperlukan untuk memecahkan hubungan antara hidrogen dan oksigen atom. Terdapat beberapa pemangkin yang menjanjikan untuk penjanaan hidrogen, termasuk molibdenum sulfida, graphene dan kadmium sulfat. Penyelidikan saya menumpukan kepada mengubah sifat molekul molibdenum sulfida untuk membuat reaksi lebih berkesan dan lebih cekap.

Membuat hidrogen

Hidrogen adalah unsur yang paling melimpah di alam semesta, tetapi ia jarang didapati sebagai hidrogen tulen. Sebaliknya, ia bergabung dengan unsur lain untuk membentuk banyak bahan kimia dan sebatian, seperti pelarut organik seperti metanol, dan protein dalam badan manusia. Bentuk tulennya, H?, boleh digunakan sebagai bahan api yang boleh diangkut dan cekap.

Terdapat beberapa cara untuk menghasilkan hidrogen untuk digunakan sebagai bahan bakar. Elektrolisis menggunakan elektrik untuk membahagikan air ke hidrogen dan oksigen. Pembaharuan metana wap bermula dengan metana (empat atom hidrogen terikat kepada atom karbon) dan memanaskannya, memisahkan hidrogen daripada karbon. Kaedah intensif tenaga ini biasanya bagaimana industri menghasilkan hidrogen yang digunakan dalam hal-hal seperti menghasilkan amonia atau penyulingan minyak.

Kaedah yang saya fokuskan ialah pemisahan air photocatalytic. Dengan bantuan pemangkin, jumlah tenaga yang diperlukan untuk "membahagi" air menjadi hidrogen dan oksigen boleh disediakan oleh sumber lain yang berlimpah - cahaya. Apabila terdedah kepada cahaya, campuran air yang betul dan pemangkin menghasilkan kedua-dua oksigen dan hidrogen. Ini sangat menarik bagi industri kerana ia kemudiannya membolehkan kita menggunakan air sebagai sumber hidrogen dan bukan bahan bakar fosil yang kotor.

Memahami pemangkin

Sama seperti tidak setiap dua orang memulakan perbualan jika mereka berada di lif yang sama, beberapa interaksi kimia tidak berlaku hanya kerana kedua-dua bahan diperkenalkan. molekul air boleh berpecah kepada hidrogen dan oksigen dengan tambahan tenaga, tetapi jumlah tenaga yang diperlukan akan menjadi lebih daripada akan dijana hasil tindak balas.

Kadang-kadang ia memerlukan pihak ketiga untuk mendapatkan perkara yang berlaku. Dalam kimia, itu dipanggil pemangkin. Secara kimia, pemangkin merendahkan jumlah tenaga yang diperlukan untuk dua sebatian untuk bertindak balas. Sesetengah pemangkin berfungsi hanya apabila terdedah kepada cahaya. Sebatian ini, seperti titanium dioksida, adalah dipanggil photocatalysts.

Dengan photocatalyst dalam campuran, tenaga yang diperlukan untuk memecahkan air turun dengan, supaya usaha jaring keuntungan tenaga pada akhir proses. Kita boleh membuat pemisahan itu lebih cekap dengan menambah bahan lain, dalam peranan dipanggil pemangkin yang sama. Co-pemangkin dalam penjanaan hidrogen mengubah struktur elektronik tindak balas, menjadikannya lebih berkesan menghasilkan hidrogen.

Setakat ini, tidak ada sistem yang dikomersialkan untuk menghasilkan hidrogen dengan cara ini. Ini sebahagiannya kerana kos. Pemangkin dan pemangkin yang terbaik yang kami dapati adalah cekap membantu reaksi kimia, tetapi sangat mahal. Sebagai contoh, gabungan yang pertama menjanjikan, titanium dioksida dan platinum, telah ditemui di 1972. Walau bagaimanapun, Platinum adalah logam yang sangat mahal (lebih daripada AS $ 1,000 per auns). Malah renium, pemangkin berguna lain, kos sekitar $ 70 satu auns. Logam seperti ini sangat jarang berlaku di kerak Bumi yang menjadikannya tidak sesuai untuk aplikasi berskala besar walaupun terdapat proses yang sedang dibangunkan kitar semula bahan-bahan ini.

Mencari pemangkin baru

Terdapat banyak keperluan untuk pemangkin yang baik, seperti dapat dikitar semula dan mampu menahan haba dan tekanan yang terlibat dalam tindak balas. Tetapi sama pentingnya ialah betapa biasanya bahan itu, kerana pemangkin yang paling banyak adalah yang paling murah.

Salah satu bahan terbaru dan paling menjanjikan ialah molibdenum sulfida, MoS?. Kerana ia terdiri daripada unsur molibdenum dan sulfur - kedua-duanya agak biasa di Bumi - ia jauh lebih murah daripada pemangkin yang lebih tradisional, baik di bawah dolar satu auns. Ia juga mempunyai sifat elektronik yang betul dan sifat-sifat lain.

Sebelum 1990 lewat, para penyelidik telah mendapati bahawa molibdenum sulfida tidak begitu berkesan untuk menjadikan air menjadi hidrogen. Tetapi itu kerana para penyelidik menggunakan ketulan tebal mineral, pada dasarnya bentuknya ketika ditambang dari tanah. Hari ini, bagaimanapun, kita boleh menggunakan proses seperti pemendapan wap kimia or proses berasaskan penyelesaian untuk mencipta kristal MoS yang lebih nipis? – walaupun sehingga ketebalan satu molekul – yang jauh lebih cekap dalam mengekstrak hidrogen daripada air.

Membuat proses lebih baik

Molybdenum sulfide boleh dibuat lebih berkesan dengan memanipulasi sifat fizikal dan elektriknya. Proses yang dikenali sebagai "perubahan fasa" menjadikan lebih banyak bahan yang tersedia untuk menyertai reaksi penghasil hidrogen.

Apabila molibdenum sulfida membentuk kristal, atom dan molekul di luar jisim pepejal adalah bersedia untuk menerima atau menyumbang elektron ke air apabila teruja oleh cahaya untuk memacu penciptaan hidrogen. Biasanya, MoS? molekul di bahagian dalam struktur tidak akan menderma atau menerima elektron seperti yang cekap sebagai tapak kelebihan, dan sebagainya tidak boleh membantu dengan reaksi.

Tetapi menambah tenaga kepada MoS? oleh membombardir dengan elektron, Atau meningkatkan tekanan sekitar, menyebabkan apa yang dipanggil "perubahan fasa" berlaku. Perubahan fasa ini bukanlah perkara yang anda pelajari dalam kimia asas (melibatkan satu bahan yang mengambil bentuk gas, cecair atau pepejal) melainkan sedikit perubahan struktur dalam susunan molekul menukar MoS? daripada semikonduktor kepada logam.

Akibatnya, sifat-sifat elektrik molekul di bahagian dalam juga tersedia untuk tindak balas. Ini menjadikan jumlah pemangkin yang sama berpotensi 600 kali lebih berkesan dalam tindak balas evolusi hidrogen.

Jika kaedah di sebalik terobosan ini dapat disempurnakan, maka kita mungkin menjadi langkah yang lebih dekat untuk menghasilkan pengeluaran hidrogen yang lebih murah dan lebih cekap, yang seterusnya akan menggerakkan kita ke arah masa depan yang dikuasakan oleh tenaga yang benar-benar bersih dan boleh diperbaharui.

Tentang Pengarang

Peter Byrley, Ph.D. Calon dalam Kejuruteraan Kimia, Universiti California, Riverside

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan. Membaca artikel asal.

Buku-buku yang berkaitan

at InnerSelf Market dan Amazon