Wasserstoff aus Wasser 9 9

Mit der Wasserstoffkraftwerke in Kalifornien, eine neuer japanischer Privatwagen und tragbare Wasserstoffbrennstoffzellen Für die Elektronik wird Wasserstoff als emissionsfreie Energiequelle endlich Realität für den Durchschnittsverbraucher. Bei Kombination mit Sauerstoff in Gegenwart von a KatalysatorWasserstoff setzt Energie frei und verbindet sich mit dem Sauerstoff zu Wasser.

Das zwei Hauptschwierigkeiten Wir verhindern, dass wir Wasserstoffkraft haben, alles, was wir haben storage und Produktion. Derzeit ist die Wasserstoffproduktion energieintensiv und teuer. Normalerweise erfordert die industrielle Produktion von Wasserstoff hohe Temperaturen, große Anlagen und eine enorme Menge an Energie. Tatsächlich kommt es normalerweise aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas - und ist daher eigentlich keine emissionsfreie Brennstoffquelle. Den Prozess billiger, effizienter und nachhaltiger zu gestalten, würde einen großen Beitrag dazu leisten, Wasserstoff zu einem gebräuchlicheren Kraftstoff zu machen.

Eine ausgezeichnete - und reichlich vorhandene - Quelle für Wasserstoff ist Wasser. Aber chemisch erfordert dies die Umkehrung der Reaktion, bei der Wasserstoff bei der Kombination mit anderen Chemikalien Energie freisetzt. Das heißt, wir müssen Energie in eine Verbindung setzen, um den Wasserstoff heraus zu bekommen. Die Maximierung der Effizienz dieses Prozesses wäre ein bedeutender Fortschritt in Richtung einer Zukunft mit sauberer Energie.

Eine Methode beinhaltet das Mischen von Wasser mit einer hilfreichen Chemikalie, einem Katalysator, um die Energiemenge zu reduzieren, die benötigt wird, um die Verbindungen zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zu unterbrechen. Es gibt mehrere vielversprechende Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung, einschließlich MolybdänsulfidGraphen und Cadmiumsulfat. Meine Forschung konzentriert sich auf die Modifizierung der molekularen Eigenschaften von Molybdänsulfid, um die Reaktion noch effektiver und effizienter zu machen.

Wasserstoff machen

Wasserstoff ist das das am häufigsten vorkommende Element im Universum, aber es ist selten als reiner Wasserstoff verfügbar. Vielmehr verbindet es sich mit anderen Elementen und bildet im menschlichen Körper zahlreiche Chemikalien und Verbindungen, beispielsweise organische Lösungsmittel wie Methanol und Proteine. Seine reine Form, H?, kann als transportabler und effizienter Brennstoff verwendet werden.


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Es gibt mehrere Möglichkeiten, um Wasserstoff zu produzieren als Brennstoff nutzbar sein. Die Elektrolyse nutzt Elektrizität, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dampf Methan Reforming beginnt mit Methan (vier an ein Kohlenstoffatom gebundene Wasserstoffatome) und erhitzt es, indem es den Wasserstoff vom Kohlenstoff trennt. Diese energieintensive Methode ist in der Regel, wie Industrien Wasserstoff produzieren, der in Dingen wie der Produktion von Ammoniak oder der Raffination von Öl verwendet wird.

Die Methode, auf die ich mich konzentriere, ist photokatalytische Wasserspaltung. Mit Hilfe eines Katalysators kann die Menge an Energie, die benötigt wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff "aufzuspalten", durch eine andere reichlich vorhandene Ressource - Licht - bereitgestellt werden. Wenn sie Licht ausgesetzt werden, erzeugt eine geeignete Mischung aus Wasser und einem Katalysator sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff. Dies ist für die Industrie sehr attraktiv, weil es uns ermöglicht, Wasser anstelle von schmutzigen fossilen Brennstoffen als Wasserstoffquelle zu verwenden.

Katalysatoren verstehen

Genauso wie nicht alle zwei Personen eine Unterhaltung beginnen, wenn sie sich im selben Aufzug befinden, treten einige chemische Wechselwirkungen nicht auf, nur weil die beiden Materialien eingeführt werden. Wassermoleküle können unter Zugabe von Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden, aber die benötigte Energiemenge wäre mehr, als durch die Reaktion erzeugt würde.

Manchmal braucht es eine dritte Partei, um die Dinge in Gang zu bringen. In der Chemie nennt man das einen Katalysator. Chemisch betrachtet senkt ein Katalysator die Energiemenge, die zwei Reaktionspartner benötigen. Einige Katalysatoren funktionieren nur, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Diese Verbindungen sind wie Titandioxid Photokatalysatoren genannt.

Mit einem Photokatalysator in der Mischung wird die Energie, die benötigt wird, um Wasser zu spalten, signifikant verringert, so dass der Aufwand am Ende des Prozesses einen Energiegewinn erzielt. Wir können die Spaltung noch effizienter machen, indem wir einen anderen Stoff hinzufügen, in einer Rolle namens Cokatalysator. Co-Katalysatoren in der Wasserstofferzeugung verändern die elektronische Struktur der Reaktion, wodurch sie bei der Herstellung von Wasserstoff effektiver werden.

Bisher gibt es keine kommerzialisierten Systeme, um Wasserstoff auf diese Weise herzustellen. Dies ist teilweise wegen der Kosten. Die besten Katalysatoren und Co-Katalysatoren, die wir gefunden haben, sind wirksam bei der chemischen Reaktion, sind aber sehr teuer. Zum Beispiel wurde die erste vielversprechende Kombination, Titandioxid und Platin, in 1972 entdeckt. Platin ist jedoch ein sehr teures Metall (weit über US $ 1,000 pro Unze). Sogar Rhenium, ein weiterer nützlicher Katalysator, kostet um $ 70 pro Unze. Metalle wie diese sind in der Erdkruste so selten, dass dies sie macht nicht für große Anwendungen geeignet obwohl Prozesse entwickelt werden recycle diese Materialien.

Einen neuen Katalysator finden

Es gibt viele Erfordernisse für einen guten Katalysator, wie z. B. die Fähigkeit, recycelt zu werden und der Hitze und dem Druck widerstehen zu können, die bei der Reaktion auftreten. Aber genauso wichtig ist, wie häufig das Material ist, denn die am häufigsten vorkommenden Katalysatoren sind die billigsten.

Eines der neuesten und vielversprechendsten Materialien ist Molybdänsulfid, MoS?. Da es aus den Elementen Molybdän und Schwefel besteht – beides relativ häufig auf der Erde – ist es weitaus billiger als herkömmliche Katalysatoren. gut unter einem Dollar pro Unze. Es hat auch die richtigen elektronischen Eigenschaften und andere Attribute.

Vor den späten 1990sForscher hatten herausgefunden, dass Molybdänsulfid nicht besonders effektiv Wasser in Wasserstoff umwandelt. Aber das war, weil Forscher dicke Brocken des Minerals verwendeten, im Wesentlichen die Form, in der es beim Abbau aus dem Boden lag. Heute können wir jedoch Prozesse wie chemische Gasphasenabscheidung or lösungsbasierte Prozesse um viel dünnere MoS-Kristalle zu erzeugen? – sogar bis zur Dicke eines einzelnen Moleküls – die bei der Extraktion von Wasserstoff aus Wasser weitaus effizienter sind.

Den Prozess noch besser machen

Molybdänsulfid kann durch Manipulation seiner physikalischen und elektrischen Eigenschaften noch wirksamer gemacht werden. Ein Prozess, der als "Phasenwechsel" bekannt ist, stellt mehr von der Substanz zur Verfügung, um an der Wasserstoff erzeugenden Reaktion teilzunehmen.

Wenn Molybdänsulfid Kristalle bildet, sind die Atome und Moleküle an der Außenseite der festen Masse bereit, Elektronen zu akzeptieren oder zu spenden wenn es durch Licht angeregt wird, um die Bildung von Wasserstoff voranzutreiben. Normalerweise ist das MoS? Moleküle im Inneren der Struktur geben oder nehmen keine Elektronen auf so effizient wie die Kantenseiten, und so kann nicht so viel mit der Reaktion helfen.

Aber dem MoS Energie hinzufügen? von mit Elektronen bombardieren, oder Erhöhung des Umgebungsdruckes, verursacht, was heißt "Phasenwechsel" passieren. Dieser Phasenwechsel ist nicht das, was Sie in der chemischen Chemie lernen (wobei eine Substanz gasförmige, flüssige oder feste Formen annimmt), sondern eher eine geringfügige strukturelle Veränderung in der molekularen Anordnung ändert sich das MoS? vom Halbleiter zum Metall.

Damit stehen auch die elektrischen Eigenschaften der Moleküle auf der Innenseite der Reaktion zur Verfügung. Dies macht möglicherweise die gleiche Menge an Katalysator möglich 600 mal effektiver in der Wasserstoffentwicklungsreaktion.

Wenn die Methoden für diese Art von Durchbruch perfektioniert werden können, sind wir vielleicht einen großen Schritt näher, die Wasserstoffproduktion billiger und effizienter zu machen, was uns wiederum in eine Zukunft führen wird, die von wirklich sauberer, erneuerbarer Energie angetrieben wird.

Über den Autor

Peter Byrley, Ph.D. Kandidat in Chemieingenieurwesen, Universität von Kalifornien, Riverside

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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