بدافع محطات الطاقة الهيدروجينية في كاليفورنياأو المعلم سيارة مستهلك ياباني جديدة و خلايا وقود الهيدروجين المحمولة بالنسبة للالكترونيات ، أصبح الهيدروجين كمصدر لانبعاثات الانبعاثات صفر حقيقة واقعة بالنسبة للمستهلك العادي. عندما يقترن بالأكسجين في وجود الحفازيطلق الهيدروجين الطاقة والروابط مع الأكسجين لتشكيل الماء.
• اثنين من الصعوبات الرئيسية يمنعنا من امتلاك طاقة الهيدروجين ، كل ما لدينا تخزين والإنتاج. في الوقت الحالي ، يكون إنتاج الهيدروجين كثيفًا ومكلفًا للطاقة. عادة ، يتطلب الإنتاج الصناعي للهيدروجين درجات حرارة عالية ، ومرافق كبيرة وكمية هائلة من الطاقة. في الواقع ، عادة ما تأتي من الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي - وبالتالي فهي ليست في الواقع مصدر وقود صفري. إن جعل العملية أرخص وفعالة ومستدامة من شأنه أن يقطع شوطًا طويلاً نحو جعل الهيدروجين وقودًا أكثر استخدامًا.
مصدر ممتاز - وفير - من الهيدروجين هو الماء. ولكن كيميائيًا ، يتطلب ذلك عكس التفاعل الذي ينتج الهيدروجين الطاقة عند الدمج مع مواد كيميائية أخرى. وهذا يعني أن علينا أن نضع الطاقة في مركب ، لنخرج الهيدروجين. من شأن تعظيم كفاءة هذه العملية أن يكون تقدمًا كبيرًا نحو مستقبل الطاقة النظيفة.
تتضمن إحدى الطرق خلط الماء مع مادة كيميائية مفيدة ، حافزًا ، لتقليل كمية الطاقة اللازمة لكسر الروابط بين ذرات الهيدروجين والأكسجين. هناك العديد من المحفزات الواعدة لتوليد الهيدروجين ، بما في ذلك كبريتيد الموليبدينوموالجرافين وكبريتات الكادميوم. يركز بحثي على تعديل الخصائص الجزيئية لكبريتيد الموليبدنوم لجعل التفاعل أكثر فعالية وكفاءة.
صنع الهيدروجين
الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون، لكنه نادرًا ما يتوفر على شكل هيدروجين نقي. بل إنه يتحد مع عناصر أخرى لتكوين عدد كبير من المواد الكيميائية والمركبات، مثل المذيبات العضوية مثل الميثانول، والبروتينات في جسم الإنسان. ويمكن استخدام شكله النقي، H؟، كوقود فعال وقابل للنقل.
هناك عدة طرق لإنتاج الهيدروجين لتكون قابلة للاستخدام كوقود. يستخدم التحليل الكهربائي الكهرباء لتقسيم المياه إلى هيدروجين وأكسجين. إصلاح الميثان البخاري يبدأ بالميثان (أربع ذرات هيدروجين متجهة إلى ذرة كربون) ويقوم بتسخينها ، ويفصل الهيدروجين عن الكربون. وعادةً ما تكون هذه الطريقة كثيفة الاستهلاك للطاقة هي كيفية إنتاج الصناعات للهيدروجين المستخدم في أشياء مثل إنتاج الأمونيا أو تكرير النفط.
الطريقة التي أركز عليها هي فصل الماء ذو الحفاز الضوئي. مع مساعدة المحفز ، يمكن توفير كمية الطاقة اللازمة "لتقسيم" الماء إلى هيدروجين وأكسجين بواسطة مورد وفير آخر. عند التعرض للضوء ، ينتج خليط مناسب من الماء ومحفز كلا من الأكسجين والهيدروجين. هذا جذاب للغاية للصناعة لأنه يسمح لنا بعد ذلك باستخدام المياه كمصدر للهيدروجين بدلاً من الوقود الأحفوري المتسخ.
فهم المحفزات
مثلما لا يبدأ كل شخصين بمحادثة إذا كانا في نفس المصعد ، فإن بعض التفاعلات الكيميائية لا تحدث لمجرد أنه تم إدخال هاتين المادتين. يمكن تقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين مع إضافة الطاقة ، ولكن كمية الطاقة المطلوبة ستكون أكبر مما يمكن توليده نتيجة للتفاعل.
في بعض الأحيان يستغرق الأمر طرفًا ثالثًا للحصول على الأشياء. في الكيمياء ، وهذا ما يسمى محفز. كيميائيا ، المحفز يقلل من كمية الطاقة اللازمة لمركبات اثنين للتفاعل. تعمل بعض المحفزات فقط عندما تتعرض للضوء. هذه المركبات ، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم ، هي دعا photocatalysts.
مع وجود حفاز ضوئي في المزيج ، تنخفض الطاقة اللازمة لتقسيم الماء بشكل كبير ، بحيث ينجح الجهد في كسب الطاقة في نهاية العملية. يمكننا أن نجعل عملية التقسيم أكثر كفاءة عن طريق إضافة مادة أخرى ، في دور يسمى co-catalyst. تغير العوامل الحفازة المشتركة في توليد الهيدروجين التركيب الإلكتروني للتفاعل ، مما يجعله أكثر فعالية في إنتاج الهيدروجين.
حتى الآن ، لا توجد أي أنظمة تجارية لإنتاج الهيدروجين بهذه الطريقة. هذا في جزء بسبب التكلفة. أفضل العوامل المحفزة والمحفزات المشتركة التي وجدناها فعالة في المساعدة على التفاعل الكيميائي ، ولكنها مكلفة للغاية. على سبيل المثال ، تم اكتشاف أول مجموعة واعدة ، ثاني أكسيد التيتانيوم والبلاتين ، في 1972. البلاتين ، ومع ذلك ، هو معدن باهظ الثمن للغاية (أكثر من دولار أمريكي 1,000 للأونصة الواحدة). حتى الرينيوم ، محفز آخر مفيد ، يكلف حوالي 70 دولار للأونصة. المعادن مثل هذه نادرة جدا في قشرة الأرض التي تجعلها هذه غير مناسبة للتطبيقات واسعة النطاق على الرغم من وجود عمليات يجري تطويرها ل إعادة تدوير هذه المواد.
العثور على محفز جديد
هناك العديد من المتطلبات للحافز الجيد ، مثل القدرة على إعادة التدوير والقدرة على تحمل الحرارة والضغط المشاركين في التفاعل. ولكن بنفس القدر من الأهمية هو مدى شيوع المادة ، لأن المحفزات الأكثر وفرة هي الأرخص.
واحدة من أحدث المواد وأكثرها واعدة هي كبريتيد الموليبدينوم، MoS؟. ولأنها مكونة من عنصري الموليبدينوم والكبريت - وكلاهما شائعان نسبيًا على الأرض - فهي أرخص بكثير من المحفزات التقليدية. جيدا تحت دولار لكل أوقية. كما أن لديها الخصائص الإلكترونية الصحيحة والسمات الأخرى.
قبل أواخر 1990sوجد الباحثون أن كبريتيد الموليبدينوم لم يكن فعالا بشكل خاص في تحويل الماء إلى هيدروجين. لكن ذلك كان لأن الباحثين كانوا يستخدمون أجزاء سميكة من المعدن ، وهي في الأساس الشكل الذي توجد فيه عند استخراجه من الأرض. اليوم ، ومع ذلك ، يمكننا استخدام عمليات مثل ترسيب الأبخرة الكيميائية or العمليات القائمة على الحل لإنشاء بلورات أرق بكثير من MoS؟ - حتى بسمك جزيء واحد - وهي أكثر كفاءة إلى حد كبير في استخلاص الهيدروجين من الماء.
مما يجعل العملية أفضل
يمكن جعل كبريتيد الموليبدينوم أكثر فعالية من خلال التلاعب بخصائصه الفيزيائية والكهربائية. عملية تعرف باسم "تغيير الطور" تجعل المزيد من المادة متاحة للمشاركة في تفاعل إنتاج الهيدروجين.
عندما يشكل كبريتيد الموليبدينوم بلورات ، فإن الذرات والجزيئات الموجودة على السطح الخارجي للكتلة الصلبة على استعداد لقبول أو التبرع للإلكترونات بالماء عندما يثار بالضوء ليحفز عملية إنتاج الهيدروجين. عادة، وزارة الخارجية؟ لن تتبرع الجزيئات الموجودة داخل الهيكل أو تقبل الإلكترونات بكفاءة مثل مواقع الحافة، لذلك لا يمكن أن تساعد كثيرا مع رد الفعل.
لكن إضافة الطاقة إلى MoS؟ بواسطة قصفها بالإلكتروناتالطرق أو زيادة الضغط المحيط، يسبب ما يسمى "تغيير المرحلةليحدث. هذا التغيير في المرحلة ليس هو ما تتعلمه في الكيمياء الأساسية (بما في ذلك مادة تأخذ شكلاً من الغاز ، أو السائل أو الصلب) ، بل هي تغير بنيوي طفيف في الترتيب الجزيئي يغير MoS؟ من أشباه الموصلات إلى المعدن.
ونتيجة لذلك ، تصبح الخواص الكهربائية للجزيئات الموجودة في الداخل متاحة للتفاعل أيضًا. هذا يجعل نفس الكمية من المحفز يحتمل 600 مرات أكثر فعالية في تفاعل تطور الهيدروجين.
إذا كان بالإمكان تحسين الأساليب الكامنة وراء هذا النوع من الاختراق ، فقد نكون خطوة كبيرة نحو جعل إنتاج الهيدروجين أرخص وأكثر كفاءة ، وهذا بدوره سيقودنا نحو مستقبل مدعوم بالطاقة النظيفة والمتجددة حقا.
نبذة عن الكاتب
بيتر بيرلي ، دكتوراه. مرشح في الهندسة الكيميائية ، جامعة كاليفورنيا ، ريفرسايد
تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. إقرأ ال المقال الأصلي.
كُتبٌ ذاتُ صِلَةٍ
at سوق InnerSelf و Amazon
