Con centrali elettriche a idrogeno in California, un nuova auto di consumo giapponese ed celle a combustibile idrogeno portatili per l'elettronica, l'idrogeno come fonte di combustibile a emissioni zero sta finalmente diventando una realtà per il consumatore medio. Se combinato con l'ossigeno in presenza di a catalizzatorel'idrogeno rilascia energia e si lega all'ossigeno per formare acqua.

I due principali difficoltà impedendoci di avere il potere dell'idrogeno tutto ciò che abbiamo conservazione e produzione. Al momento, la produzione di idrogeno è ad alta intensità energetica e costosa. Normalmente, la produzione industriale di idrogeno richiede alte temperature, grandi strutture e un'enorme quantità di energia. Di fatto, di solito proviene da combustibili fossili come il gas naturale - e quindi non è in realtà una fonte di combustibile a emissioni zero. Rendere il processo più economico, efficiente e sostenibile farebbe molto per rendere l'idrogeno un combustibile più utilizzato.

Una fonte eccellente e abbondante di idrogeno è l'acqua. Ma chimicamente, questo richiede di invertire la reazione in cui l'idrogeno rilascia energia quando si combina con altre sostanze chimiche. Ciò significa che dobbiamo mettere l'energia in un composto, per estrarre l'idrogeno. Massimizzare l'efficienza di questo processo sarebbe un progresso significativo verso un futuro di energia pulita.

Un metodo consiste nel mescolare l'acqua con una sostanza chimica utile, un catalizzatore, per ridurre la quantità di energia necessaria per interrompere le connessioni tra idrogeno e atomi di ossigeno. Ci sono diversi catalizzatori promettenti per la produzione di idrogeno, tra cui solfuro di molibdeno, grafene e solfato di cadmio. La mia ricerca si concentra sulla modifica delle proprietà molecolari del solfuro di molibdeno per rendere la reazione ancora più efficace e più efficiente.

Fare idrogeno

L'idrogeno è il elemento più abbondante nell'universo, ma è raramente disponibile come idrogeno puro. Piuttosto, si combina con altri elementi per formare un gran numero di sostanze chimiche e composti, come solventi organici come il metanolo e proteine ​​nel corpo umano. La sua forma pura, H?, può essere utilizzata come combustibile trasportabile ed efficiente.

Ci sono diversi modi per produrre idrogeno essere utilizzabile come combustibile L'elettrolisi usa l'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Rifinitura del metano a vapore inizia con metano (quattro atomi di idrogeno legati ad un atomo di carbonio) e lo scalda, separando l'idrogeno dal carbonio. Questo metodo ad alta intensità energetica è solitamente il modo in cui le industrie producono idrogeno che viene utilizzato in cose come la produzione di ammoniaca o la raffinazione del petrolio.

Il metodo su cui mi sto concentrando è scissione dell'acqua fotocatalitica. Con l'aiuto di un catalizzatore, la quantità di energia necessaria per "dividere" l'acqua in idrogeno e ossigeno può essere fornita da un'altra risorsa abbondante - la luce. Una volta esposta alla luce, una corretta miscela di acqua e un catalizzatore produce sia ossigeno che idrogeno. Questo è molto interessante per l'industria perché ci consente quindi di utilizzare l'acqua come fonte di idrogeno invece di combustibili fossili sporchi.

Comprensione dei catalizzatori

Proprio come non tutte e due le persone iniziano una conversazione se sono nello stesso ascensore, alcune interazioni chimiche non avvengono solo perché vengono introdotti i due materiali. Le molecole d'acqua possono essere suddivise in idrogeno e ossigeno con l'aggiunta di energia, ma la quantità di energia necessaria sarebbe maggiore di quella che si genererebbe a seguito della reazione.

A volte ci vuole una terza persona per far funzionare le cose. In chimica, si chiama catalizzatore. Chimicamente parlando, un catalizzatore riduce la quantità di energia necessaria per reagire a due composti. Alcuni catalizzatori funzionano solo se esposti alla luce. Questi composti, come il biossido di titanio, sono chiamati fotocatalizzatori.

Con un fotocatalizzatore nel mix, l'energia necessaria per dividere l'acqua diminuisce in modo significativo, in modo che lo sforzo generi un guadagno di energia alla fine del processo. Possiamo rendere la divisione ancora più efficiente aggiungendo un'altra sostanza, in un ruolo chiamato co-catalizzatore. I co-catalizzatori nella generazione di idrogeno alterano la struttura elettronica della reazione, rendendola più efficace nella produzione di idrogeno.

Finora, non ci sono sistemi commercializzati per produrre idrogeno in questo modo. Questo è in parte a causa del costo. I migliori catalizzatori e co-catalizzatori che abbiamo trovato sono efficaci nell'aiutare la reazione chimica, ma sono molto costosi. Ad esempio, la prima combinazione promettente, il biossido di titanio e il platino, è stata scoperta in 1972. Il platino, tuttavia, è un metallo molto costoso (ben oltre $ 1,000 per oncia). Anche il renio, un altro utile catalizzatore, costa circa $ 70 un'oncia. Metalli come questi sono così rari nella crosta terrestre che questo li rende non adatto per applicazioni su larga scala anche se ci sono processi in fase di sviluppo riciclare questi materiali.

Trovare un nuovo catalizzatore

Ci sono molti requisiti per un buon catalizzatore, come la possibilità di essere riciclati e di essere in grado di sopportare il calore e la pressione coinvolti nella reazione. Ma altrettanto importante è quanto sia comune il materiale, perché i catalizzatori più abbondanti sono i più economici.

Uno dei materiali più nuovi e promettenti è il solfuro di molibdeno, MoS?. Poiché è costituito dagli elementi molibdeno e zolfo – entrambi relativamente comuni sulla Terra – è molto più economico dei catalizzatori più tradizionali. bene sotto un dollaro per oncia. Ha anche le proprietà elettroniche corrette e altri attributi.

Prima del compianto 1990si ricercatori avevano scoperto che il solfuro di molibdeno non era particolarmente efficace nel trasformare l'acqua in idrogeno. Ma ciò era dovuto al fatto che i ricercatori utilizzavano pezzi spessi del minerale, essenzialmente la forma in cui si trova quando estratti dal terreno. Oggi, tuttavia, possiamo usare processi come deposizione chimica da vapore or processi basati su soluzioni creare cristalli molto più sottili di MoS? – anche fino allo spessore di una singola molecola – che sono molto più efficienti nell’estrarre l’idrogeno dall’acqua.

Rendere il processo ancora migliore

Il solfuro di molibdeno può essere reso ancora più efficace manipolando le sue proprietà fisiche ed elettriche. Un processo noto come "cambiamento di fase" rende disponibile più della sostanza per partecipare alla reazione di produzione dell'idrogeno.

Quando il solfuro di molibdeno forma cristalli, gli atomi e le molecole all'esterno della massa solida lo sono pronto ad accettare o donare elettroni all'acqua quando eccitato dalla luce per guidare la creazione di idrogeno. Normalmente, il MoS? le molecole all'interno della struttura non doneranno né accetteranno elettroni con la stessa efficienza dei siti edgee quindi non può aiutare tanto con la reazione.

Ma aggiungere energia alla MoS? di bombardandolo con gli elettroni, o aumentando la pressione circostante, provoca quello che viene chiamato "cambio di fase" verificare. Questo cambiamento di fase non è ciò che impari nella chimica di base (che coinvolge una sostanza che assume forme di gas, liquido o solido), ma piuttosto un leggero cambiamento strutturale nella disposizione molecolare che cambia il MoS? da semiconduttore a metallo.

Di conseguenza, anche le proprietà elettriche delle molecole all'interno diventano disponibili per la reazione. Ciò rende potenzialmente la stessa quantità di catalizzatore 600 volte più efficace nella reazione di evoluzione dell'idrogeno.

Se i metodi alla base di questo tipo di innovazione possono essere perfezionati, allora potremmo fare un grande passo avanti nel rendere la produzione di idrogeno più economica e più efficiente, che a sua volta ci spingerà verso un futuro alimentato da energia veramente pulita e rinnovabile.

Circa l'autore

Peter Byrley, Ph.D. Candidato in Ingegneria Chimica, Università della California, Riverside

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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