עם תחנות כוח מימן בקליפורניה, מכונית צריכה יפנית חדשה ו תאי דלק מימן ניידים עבור אלקטרוניקה, מימן כמקור דלק אפס הופך כעת סוף סוף למציאות עבור הצרכן הממוצע. בשילוב עם חמצן בנוכחות א זרז, מימן משחרר אנרגיה ומקשר עם החמצן ליצירת מים.
אל האני שני קשיים עיקריים מונע מאיתנו להיות בעל כוח מימן כל מה שיש לנו אחסון והפקה. כרגע ייצור המימן עתיר אנרגיה ויקר. בדרך כלל, ייצור תעשייתי של מימן דורש טמפרטורות גבוהות, מתקנים גדולים וכמות אנרגיה עצומה. למעשה, זה בדרך כלל מגיע מדלק מאובנים כמו גז טבעי-ולכן למעשה אינו מקור דלק אפס. הפיכת התהליך לזול, יעיל ובר קיימא תעבור דרך ארוכה לקראת הפיכת מימן לדלק נפוץ יותר.
מקור מצוין - ושופע - למימן הוא מים. אבל מבחינה כימית, זה דורש להפוך את התגובה שבה מימן משחרר אנרגיה בעת שילוב עם כימיקלים אחרים. זה אומר שעלינו להכניס אנרגיה לתרכובת, כדי להוציא את המימן. מיצוי היעילות של תהליך זה יהיה התקדמות משמעותית לקראת עתיד אנרגיה נקייה.
שיטה אחת כוללת ערבוב מים עם חומר כימי מועיל, זרז, להפחתת כמות האנרגיה הדרושה לניתוק הקשרים בין אטומי מימן וחמצן. ישנם מספר זרזים מבטיחים לייצור מימן, כולל מוליבדן גופרתי, גרפן וקדמיום סולפט. המחקר שלי מתמקד בשינוי התכונות המולקולריות של מוליבדן גופרי כדי להפוך את התגובה ליעילה ויעילה עוד יותר.
ייצור מימן
מימן הוא ה המרכיב הנפוץ ביותר ביקום, אך לעתים רחוקות הוא זמין כמימן טהור. במקום זאת, הוא משתלב עם יסודות אחרים ויוצר הרבה מאוד כימיקלים ותרכובות, כמו ממיסים אורגניים כמו מתנול וחלבונים בגוף האדם. צורתו הטהורה, H?, יכולה לשמש כדלק נייד ויעיל.
יש מספר דרכים לייצר מימן להיות שמיש כדלק. אלקטרוליזה משתמשת בחשמל כדי לפצל מים למימן וחמצן. רפורמה במתאן קיטור מתחיל במתאן (ארבעה אטומי מימן הקשורים לאטום פחמן) ומחמם אותו ומפריד בין המימן לפחמן. שיטה עתירת אנרגיה זו בדרך כלל כיצד תעשיות מייצרות מימן המשמש בדברים כמו ייצור אמוניה או זיקוק נפט.
השיטה שאני מתמקד בה היא פיצול מים פוטוקטליים. בעזרת זרז, כמות האנרגיה הדרושה כדי "לפצל" מים למימן וחמצן יכולה להינתן על ידי משאב רב אחר - אור. כאשר נחשפים לאור, תערובת נכונה של מים וזרז מייצרת חמצן ומימן כאחד. זה מאוד אטרקטיבי לתעשייה מכיוון שהוא מאפשר לנו להשתמש במים כמקור למימן במקום לדלקים מאובנים מלוכלכים.
הבנת זרזים
כשם שלא כל שני אנשים מתחילים שיחה אם הם נמצאים באותה מעלית, כמה אינטראקציות כימיות אינן מתרחשות רק משום ששני החומרים מוצגים. מולקולות מים ניתנות לפיצול למימן ולחמצן בתוספת אנרגיה, אך כמות האנרגיה הדרושה תהיה גדולה יותר ממה שתיווצר כתוצאה מהתגובה.
לפעמים צריך צד שלישי כדי להניע דברים. בכימיה קוראים לזה זרז. מבחינה כימית, זרז מוריד את כמות האנרגיה הדרושה לשתי תרכובות להגיב. חלק מהזרזים פועלים רק כאשר הם נחשפים לאור. תרכובות אלה, כמו טיטניום דו חמצני, הן שנקרא פוטו -קטליסטים.
עם תערובת פוטו -קטליסט, האנרגיה הדרושה לפיצול מים יורדת באופן משמעותי, כך שהמאמץ יוצר רווח אנרגטי בסוף התהליך. אנו יכולים להפוך את הפיצול ליעיל עוד יותר על ידי הוספת חומר נוסף, בתפקיד שנקרא co-catalyst. זרזים משותפים בייצור מימן משנים את המבנה האלקטרוני של התגובה, מה שהופך אותה ליעילה יותר בייצור מימן.
עד כה, אין מערכות ממוסחרות לייצור מימן בדרך זו. זה בין השאר בגלל העלות. הזרזים והזרזים הטובים ביותר שמצאנו יעילים לעזור בתגובה הכימית, אך הם יקרים מאוד. לדוגמה, השילוב המבטיח הראשון, טיטניום דו חמצני ופלטינה, התגלה בשנת 1972. אולם פלטינה היא מתכת יקרה מאוד (הרבה יותר מ -1,000 דולר לאונקיה). אפילו רניום, עוד זרז שימושי, עולה בסביבות 70 דולר לאונקיה. מתכות כאלה נדירות כל כך בקרום כדור הארץ עד שזה גורם להן לא מתאים ליישומים בקנה מידה גדול למרות שישנם תהליכים שמפתחים אותם למחזר חומרים אלה.
מציאת זרז חדש
ישנן דרישות רבות לזרז טוב, כגון יכולת מיחזור ויכולת לעמוד בפני החום והלחץ הכרוכים בתגובה. אבל לא פחות מכריע הוא עד כמה החומר נפוץ, מכיוון שהזרזים הנפוצים ביותר הם הזולים ביותר.
אחד החומרים החדשים והמבטיחים ביותר הוא מוליבדן גופרתי, MoS?. מכיוון שהוא מורכב מהיסודות מוליבדן וגופרית - שניהם נפוצים יחסית בכדור הארץ - הוא זול בהרבה מזרזים מסורתיים יותר, הרבה פחות מדולר לאונקיה. יש לו גם את המאפיינים האלקטרוניים הנכונים ותכונות אחרות.
לפני סוף שנות התשעים, חוקרים גילו כי המוליבדן סולפיד אינו יעיל במיוחד בהפיכת מים למימן. אבל זה היה בגלל שחוקרים השתמשו בנתחים עבים של המינרל, בעצם הצורה שהוא נמצא בו כשהוא כורה מהאדמה. אולם כיום אנו יכולים להשתמש בתהליכים כמו תצהיר אדים כימי or תהליכים מבוססי פתרון ליצור גבישים דקים הרבה יותר של MoS? - אפילו עד לעובי של מולקולה בודדת - שהם הרבה יותר יעילים בהפקת מימן ממים.
להפוך את התהליך לטוב עוד יותר
ניתן להפוך את המוליבדן גופרית ליעיל עוד יותר על ידי מניפולציה של התכונות הפיזיות והחשמליות שלו. תהליך המכונה "שינוי פאזה" הופך את החומר לזמין יותר כדי להשתתף בתגובה המייצרת מימן.
כאשר המוליבדן גופרתי יוצר גבישים, האטומים והמולקולות שבחוץ המסה המוצקה הם מוכן לקבל או לתרום אלקטרונים למים כאשר הוא נרגש באור כדי להניע את יצירת המימן. בדרך כלל, ה-MoS? מולקולות בחלק הפנימי של המבנה לא יתרמו או יקבלו אלקטרונים ביעילות כמו אתרי edge, ולכן לא יכול לעזור כל כך עם התגובה.
אבל להוסיף אנרגיה ל-MoS? על ידי להפציץ אותו באלקטרונים, או הגברת הלחץ שמסביב, גורם למה שנקרא "שינוי שלב" להתרחש. שינוי שלב זה אינו מה שאתה לומד בכימיה בסיסית (הכולל חומר אחד הנוטה לצורות של גז, נוזלי או מוצק), אלא שינוי מבני קל בסידור המולקולרי משנה את ה-MoS? ממוליך למחצה למתכת.
כתוצאה מכך, התכונות החשמליות של המולקולות מבפנים הופכות לזמינות גם לתגובה. זה גורם לאותה כמות של זרז יעיל פי 600 בתגובת האבולוציה של המימן.
אם ניתן לשכלל את השיטות העומדות מאחורי פריצת דרך מסוג זה, ייתכן שקרבנו גדול יותר להפוך את ייצור המימן לזול ויעיל יותר, מה שבתורו יניע אותנו לעתיד המונע על ידי אנרגיה נקייה ומתחדשת באמת.
על המחבר
פיטר בירלי, דוקטור. מועמד להנדסה כימית, אוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד
מאמר זה פורסם במקור ב שיחה. קרא את מאמר מקורי.
ספרים קשורים
at InnerSelf Market ואמזון