Tìm cách tốt hơn để lấy nhiên liệu hydro từ nước

hydro từ nước9 9

Với nhà máy điện hydro ở California, Một xe tiêu dùng mới của Nhật Bảnpin nhiên liệu hydro di động đối với thiết bị điện tử, hydro như một nguồn nhiên liệu phát thải bằng không giờ đây cuối cùng đã trở thành hiện thực đối với người tiêu dùng bình thường. Khi kết hợp với oxy với sự có mặt của một chất xúc tác, hydro giải phóng năng lượng và liên kết với oxy để tạo thành nước.

Nền tảng hai khó khăn chính ngăn chúng ta có năng lượng hydro mọi thứ chúng ta có là gắn và sản xuất. Hiện tại, sản xuất hydro rất tốn năng lượng và tốn kém. Thông thường, sản xuất công nghiệp hydro đòi hỏi nhiệt độ cao, cơ sở lớn và một lượng năng lượng khổng lồ. Trên thực tế, nó thường đến từ nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên - và do đó không thực sự là nguồn nhiên liệu không phát thải. Làm cho quá trình rẻ hơn, hiệu quả và bền vững sẽ đi một chặng đường dài hướng tới việc biến hydro thành nhiên liệu được sử dụng phổ biến hơn.

Một nguồn hydro tuyệt vời - và dồi dào - là nước. Nhưng về mặt hóa học, điều đó đòi hỏi phải đảo ngược phản ứng trong đó hydro giải phóng năng lượng khi kết hợp với các hóa chất khác. Điều đó có nghĩa là chúng ta phải đưa năng lượng vào một hợp chất, để đưa hydro ra ngoài. Tối đa hóa hiệu quả của quá trình này sẽ là tiến bộ đáng kể hướng tới một tương lai năng lượng sạch.

Một phương pháp liên quan đến việc trộn nước với một hóa chất hữu ích, chất xúc tác, để giảm lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ các kết nối giữa các nguyên tử hydro và oxy. Có một số chất xúc tác đầy hứa hẹn cho thế hệ hydro, bao gồm molypden, graphene và cadmium sulfate. Nghiên cứu của tôi tập trung vào việc sửa đổi các tính chất phân tử của molybdenum sulfide để làm cho phản ứng thậm chí hiệu quả hơn và hiệu quả hơn.


Nhận thông tin mới nhất từ ​​Nội tâm


Làm hydro

Hydro là yếu tố phong phú nhất trong vũ trụ, nhưng nó hiếm khi có sẵn như hydro tinh khiết. Thay vào đó, nó kết hợp với các yếu tố khác để tạo thành rất nhiều hóa chất và hợp chất, chẳng hạn như dung môi hữu cơ như methanol và protein trong cơ thể con người. Dạng tinh khiết của nó, H₂, có thể được sử dụng làm nhiên liệu có thể vận chuyển và hiệu quả.

một số cách để sản xuất hydro để có thể sử dụng làm nhiên liệu. Điện phân sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy. Cải cách khí mê-tan bắt đầu bằng metan (bốn nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử carbon) và làm nóng nó, tách hydro khỏi carbon. Phương pháp sử dụng nhiều năng lượng này thường là cách các ngành công nghiệp sản xuất hydro được sử dụng trong những việc như sản xuất amoniac hoặc tinh chế dầu.

Phương pháp tôi đang tập trung vào là tách nước xúc tác quang. Với sự trợ giúp của chất xúc tác, lượng năng lượng cần thiết để phân tách nước của người Hồi giáo thành hydro và oxy có thể được cung cấp bởi một nguồn tài nguyên dồi dào khác - ánh sáng. Khi tiếp xúc với ánh sáng, hỗn hợp nước và chất xúc tác thích hợp sẽ tạo ra cả oxy và hydro. Điều này rất hấp dẫn đối với ngành công nghiệp vì sau đó cho phép chúng ta sử dụng nước làm nguồn hydro thay vì nhiên liệu hóa thạch bẩn.

Hiểu chất xúc tác

Giống như không phải cứ hai người bắt đầu một cuộc trò chuyện nếu họ ở trong cùng một thang máy, một số tương tác hóa học không xảy ra chỉ vì hai tài liệu được giới thiệu. Các phân tử nước có thể được phân tách thành hydro và oxy với việc bổ sung năng lượng, nhưng lượng năng lượng cần thiết sẽ nhiều hơn sẽ được tạo ra do kết quả của phản ứng.

Đôi khi phải mất một bên thứ ba để mọi thứ diễn ra. Trong hóa học, đó được gọi là chất xúc tác. Nói về mặt hóa học, một chất xúc tác làm giảm lượng năng lượng cần thiết cho hai hợp chất phản ứng. Một số chất xúc tác chỉ hoạt động khi tiếp xúc với ánh sáng. Các hợp chất này, như titan dioxide, là gọi là xúc tác quang.

Với một chất xúc tác quang trong hỗn hợp, năng lượng cần thiết để phân tách nước giảm đáng kể, do đó nỗ lực tạo ra mức tăng năng lượng khi kết thúc quá trình. Chúng ta có thể làm cho việc phân tách hiệu quả hơn nữa bằng cách thêm một chất khác, trong một vai trò gọi là chất đồng xúc tác. Các chất đồng xúc tác trong thế hệ hydro làm thay đổi cấu trúc điện tử của phản ứng, làm cho nó hiệu quả hơn trong việc sản xuất hydro.

Cho đến nay, không có bất kỳ hệ thống thương mại hóa nào để sản xuất hydro theo cách này. Điều này một phần vì chi phí. Các chất xúc tác và chất đồng xúc tác tốt nhất mà chúng tôi tìm thấy có hiệu quả trong việc hỗ trợ phản ứng hóa học, nhưng rất tốn kém. Ví dụ, sự kết hợp đầy hứa hẹn đầu tiên, titan dioxide và bạch kim, đã được phát hiện trong 1972. Bạch kim, tuy nhiên, là một kim loại rất đắt tiền (hơn US $ 1,000 mỗi ounce). Ngay cả rheni, một chất xúc tác hữu ích khác, chi phí khoảng $ 70 một ounce. Kim loại như thế này rất hiếm trong vỏ Trái đất đến nỗi điều này tạo ra chúng không phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn mặc dù có những quy trình đang được phát triển để tái chế các vật liệu này.

Tìm chất xúc tác mới

Có nhiều yêu cầu cho một chất xúc tác tốt, chẳng hạn như có thể được tái chế và có thể chịu được nhiệt và áp suất liên quan đến phản ứng. Nhưng điều quan trọng là nguyên liệu phổ biến như thế nào, bởi vì các chất xúc tác phong phú nhất là rẻ nhất.

Một trong những vật liệu mới nhất và hứa hẹn nhất là molybdenum sulfide, MoS₂. Bởi vì nó được tạo thành từ các nguyên tố molypden và lưu huỳnh - cả hai đều tương đối phổ biến trên Trái đất - nó rẻ hơn nhiều so với các chất xúc tác truyền thống hơn, dưới một đô la mỗi ounce. Nó cũng có các thuộc tính điện tử chính xác và các thuộc tính khác.

Trước những 1990 muộn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng molybdenum sulfide không đặc biệt hiệu quả trong việc biến nước thành hydro. Nhưng đó là bởi vì các nhà nghiên cứu đã sử dụng những khối khoáng chất dày, về cơ bản là dạng của nó khi khai thác từ mặt đất. Ngày nay, tuy nhiên, chúng ta có thể sử dụng các quy trình như lắng đọng hơi hóa chất or quy trình dựa trên giải pháp để tạo ra các tinh thể MoS₂ mỏng hơn nhiều - thậm chí xuống đến độ dày của một phân tử - có hiệu quả cao hơn nhiều trong việc chiết xuất hydro từ nước.

Làm cho quá trình thậm chí tốt hơn

Molybdenum sulfide có thể được thực hiện thậm chí còn hiệu quả hơn bằng cách thao tác các tính chất vật lý và điện của nó. Một quá trình được gọi là sự thay đổi pha của tinh tế, làm cho nhiều chất có sẵn để tham gia vào phản ứng sản xuất hydro.

Khi molypden sulfide tạo thành tinh thể, các nguyên tử và phân tử ở bên ngoài khối rắn sẵn sàng chấp nhận hoặc tặng điện tử cho nước khi bị kích thích bởi ánh sáng để thúc đẩy việc tạo ra hydro. Thông thường, các phân tử MoS₂ ở bên trong cấu trúc sẽ không tặng hoặc nhận điện tử hiệu quả như các trang web cạnh, và vì vậy không thể giúp nhiều như vậy với phản ứng.

Nhưng thêm năng lượng vào MoS₂ bằng bắn phá nó bằng điện tử, hoặc là tăng áp lực xung quanh, nguyên nhân cái gọi làthay đổi pha" xảy ra. Sự thay đổi pha này không phải là những gì bạn học được trong hóa học cơ bản (liên quan đến một chất ở dạng khí, lỏng hoặc rắn) mà là một sự thay đổi cấu trúc nhẹ trong sự sắp xếp phân tử thay đổi MoS₂ từ chất bán dẫn thành kim loại.

Do đó, tính chất điện của các phân tử ở bên trong cũng có sẵn cho phản ứng. Điều này làm cho cùng một lượng chất xúc tác có khả năng 600 hiệu quả hơn gấp nhiều lần trong phản ứng tiến hóa hydro.

Nếu các phương pháp đằng sau loại đột phá này có thể được hoàn thiện, thì chúng ta có thể là một bước tiến lớn hơn để làm cho việc sản xuất hydro rẻ hơn và hiệu quả hơn, từ đó sẽ đưa chúng ta tới một tương lai được cung cấp năng lượng tái tạo thực sự sạch.

Giới thiệu về Tác giả

Peter Byrley, tiến sĩ Ứng viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Đại học California, Riverside

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan

{amazonWS: searchindex = Books; Keywords = hydro từ nước; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

theo dõi Nội bộ trên

facebook-iconbiểu tượng twitterbiểu tượng rss

Nhận tin mới nhất qua email

{Emailcloak = off}

ĐỌC MOST