با نیروگاه های هیدروژن در کالیفرنیا، یک ماشین جدید ژاپنی مصرفی و سلول های سوخت هیدروژن قابل حمل برای الکترونیک، هیدروژن به عنوان یک منبع سوخت نهایی، در نهایت تبدیل به یک واقعیت برای مصرف کننده معمولی می شود. هنگامی که در حضور یک اکسیژن همراه با کاتالیزور، هیدروژن انرژی و اوراق قرضه را با اکسیژن برای تشکیل آب آزاد می کند.

La دو مشکل اصلی ما مانع از داشتن قدرت هیدروژنی در همه چیز هستیم ذخیره سازی و تولید. در حال حاضر، تولید هیدروژن انرژی شدید و گران است. به طور معمول، تولید صنعتی هیدروژن نیاز به دمای بالا، امکانات بزرگ و مقدار زیادی انرژی دارد. در حقیقت، معمولا از سوختهای فسیلی مثل گاز طبیعی می آید - و به همین دلیل در واقع یک منبع سوخت نشتی نیست. ساختن فرآیند ارزان تر، کارآمد و پایدار می تواند راهی طولانی برای ساختن سوخت هیدروژن معمولی باشد.

منبع عالی و فراوان هیدروژن آب است. اما از لحاظ شیمیایی، نیاز به برگشتن واکنش است که در آن هیدروژن در هنگام ترکیب با سایر مواد شیمیایی آزاد می شود. این بدان معنی است که ما باید انرژی را به ترکیب تبدیل کنیم تا هیدروژن تولید کند. حداکثر بهره وری این فرایند پیشرفت قابل توجهی در جهت آینده انرژی پاک است.

یک روش شامل مخلوط کردن آب با مواد شیمیایی مفید، یک کاتالیزور، برای کاهش میزان انرژی مورد نیاز برای شکستن اتصالات بین هیدروژن و اتم های اکسیژن است. چندین کاتالیزور امیدوار کننده برای تولید هیدروژن، از جمله وجود دارد سولفید مولیبدن، گرافین و سولفات کادمیوم. تحقیقات من بر تغییر خواص مولکولی سولفید مولیبدن منجر شده است تا واکنش حتی موثرتر و کارآمدتر باشد.

ساخت هیدروژن

هیدروژن است عنصر فراوان در جهان، اما به ندرت به عنوان هیدروژن خالص در دسترس است. بلکه با عناصر دیگر ترکیب می‌شود تا مواد شیمیایی و ترکیبات زیادی مانند حلال‌های آلی مانند متانول و پروتئین‌ها را در بدن انسان تشکیل دهد. شکل خالص آن، H?، می تواند به عنوان سوخت قابل حمل و کارآمد استفاده شود.

وجود دارد چند راه برای تولید هیدروژن به عنوان سوخت استفاده شود. الکترولیز از برق برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند. اصلاح شدن متان بخار با متان (چهار اتم هیدروژن به یک اتم کربن متصل شده) شروع می شود و آن را گرم می کند، هیدروژن را از کربن جدا می کند. این روش انرژی فشرده معمولا این است که چگونه صنایع هیدروژن تولید می کنند که در مواردی مانند تولید آمونیاک یا پالایش نفت استفاده می شود.

روش من تمرکز بر این است تقسیم آب فتوکاتالیتی. با کمک کاتالیزور، مقدار انرژی مورد نیاز برای "تقسیم" آب به هیدروژن و اکسیژن می تواند توسط یکی دیگر از منابع فراوانی - نور فراهم شود. هنگامی که در معرض نور قرار می گیرد، یک مخلوط مناسب از آب و یک کاتالیزور، هر دو اکسیژن و هیدروژن تولید می کند. این برای صنعت بسیار جذاب است زیرا پس از آن اجازه می دهد تا ما به استفاده از آب به عنوان منبع هیدروژن به جای کثیف سوخت های فسیلی استفاده کنیم.

درک کاتالیزورها

درست همانطور که هر دو نفر هرگز در یک آسانسور مکالمه نمی کنند، برخی از تعاملات شیمیایی تنها به این دلیل رخ نمی دهد که دو ماده معرفی شوند. مولکول های آب را می توان با افزودن انرژی به هیدروژن و اکسیژن تقسیم کرد، اما مقدار انرژی مورد نیاز بیشتر از مقدار تولید شده در نتیجه واکنش است.

گاهی اوقات شخص ثالث برای انجام کارها می گیرد. در شیمی، این کاتالیزور نامیده می شود. به لحاظ شیمیایی، کاتالیزور مقدار انرژی مورد نیاز برای دو واکنش را کاهش می دهد. بعضی از کاتالیزورها فقط در معرض نور قرار می گیرند. این ترکیبات مانند دی اکسید تیتانیوم هستند فوتوکاتالیست ها نامیده می شود.

با یک فوتوکاتالیست در مخلوط، انرژی مورد نیاز برای تقسیم آب قطره به طور قابل توجهی، به طوری که تلاش شبکه انرژی افزایش در پایان روند. ما می توانیم تقسیم را حتی با اضافه کردن یک ماده دیگر، در یک نقش به نام کاتالیزور همکاری کنیم، کارآمدتر می کنیم. کاتالیزورهای همکاری در تولید هیدروژن ساختار الکترونیکی واکنش را تغییر می دهند و موجب تولید هیدروژن می شوند.

تا کنون هیچ سیستم تجاری برای تولید هیدروژن در این راه وجود ندارد. این به خاطر هزینه است. بهترین کاتالیزورها و کاتالیزورهایی که ما پیدا کردیم، در کمک به واکنش شیمیایی کارآمد هستند، اما بسیار گران هستند. به عنوان مثال، اولین ترکیب امیدبخش، دی اکسید تیتانیوم و پلاتین، در 1972 کشف شد. پلاتین، با این حال، فلز بسیار گران است (بیش از US $ 1,000 در هر اونس) حتی رنیوم، یک کاتالیزور مفید دیگر، هزینه حدود $ 70 یک اونس است. فلزات مثل این در پوسته زمین بسیار نادر هستند که این باعث می شود آنها برای برنامه های کاربردی در مقیاس بزرگ مناسب نیست حتی اگر فرآیندهای توسعه یافته وجود داشته باشد این مواد را بازیافت.

یافتن کاتالیزور جدید

الزامات بسیاری برای یک کاتالیست خوب وجود دارد، مانند اینکه قادر به بازیافت و توانایی مقاومت در برابر گرما و فشار درگیر در واکنش باشد. اما همانطور که مهم است، مواد شایع است، چرا که کاتالیزورهای فراوان ارزان ترین هستند.

یکی از جدیدترین و امیدوارکننده ترین مواد سولفید مولیبدن، MoS? است. از آنجا که از عناصر مولیبدن و گوگرد - هر دو نسبتاً رایج در زمین - تشکیل شده است - بسیار ارزان تر از کاتالیزورهای سنتی است. خوب زیر یک دلار در هر اونس. همچنین دارای ویژگی های صحیح الکترونیکی و ویژگی های دیگر است.

قبل از اواخر 1990s، محققان دریافتند که سولفید مولیبدن در تبدیل آب به هیدروژن به طور خاص مؤثر نیست. اما این به این علت بود که محققان از تکه های ضخیم از معدنی استفاده می کردند، اساسا همان شکل که از زمین استخراج می شد. امروز، با این حال، ما می توانیم از فرآیندهای مانند رسوبات بخار شیمیایی or فرآیندهای مبتنی بر راه حل برای ایجاد کریستال های بسیار نازک تر از MoS؟ - حتی به ضخامت یک مولکول واحد - که در استخراج هیدروژن از آب بسیار کارآمدتر هستند.

فرایند را بهتر انجام دهید

با استفاده از خواص فیزیکی و الکتریکی آن، می توان سولفید مولیبدن را حتی بیشتر موثر ساخت. یک فرایند به نام "تغییر فاز" باعث می شود بیشتر مواد موجود برای شرکت در واکنش تولید هیدروژن تولید شود.

هنگامی که سولفید مولیبدن تشکیل بلورها می کند، اتم ها و مولکول ها در خارج از توده جامد هستند آماده پذیرفتن یا اهدای الکترون به آب است هنگامی که توسط نور تحریک می شود تا هیدروژن ایجاد شود. به طور معمول، MoS؟ مولکول های داخل ساختار الکترون اهدا یا قبول نمی کنند به عنوان موثر به عنوان سایت های لبه، و بنابراین نمی تواند به همان اندازه که با واکنش کمک کند.

اما اضافه کردن انرژی به MoS؟ توسط بمباران آن با الکترونها، یا افزایش فشار اطراف، باعث می شود آنچه که "تغییر فاز" رخ دادن. این تغییر فاز چیزی نیست که شما در شیمی پایه یاد می گیرید (شامل یک ماده ای است که از فرم های گاز، مایع یا جامد استفاده می کند) بلکه تغییر ساختاری جزئی در ترتیب مولکولی است که MoS را تغییر می دهد؟ از یک نیمه هادی به یک فلز.

در نتیجه، خواص الکتریکی مولکول ها در داخل برای واکنش نیز در دسترس می باشد. این باعث می شود مقدار کاتالیزور به طور بالقوه 600 بار موثرتر است در واکنش تکامل هیدروژن.

اگر روش هایی که در پشت این نوع پیشرفت ها می تواند کامل شود، می تواند یک گام بزرگ برای ساختن تولید هیدروژن ارزان تر و کارآمد باشد، که به نوبه خود ما را به سمت آینده ای که از طریق انرژی واقعا پاک و انرژی تجدید می کند، حرکت می دهد.

درباره نویسنده

پیتر بریل، Ph.D. مدرک کارشناسی مهندسی شیمی، دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید

این مقاله در اصل در تاریخ منتشر شد گفتگو. دفعات بازدید: مقاله.

کتاب های مرتبط

at InnerSelf Market و آمازون