กับ โรงไฟฟ้าไฮโดรเจนในแคลิฟอร์เนียที่ รถใหม่ของญี่ปุ่น และ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนแบบพกพา สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไฮโดรเจนในฐานะแหล่งเชื้อเพลิงที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ได้กลายเป็นความจริงสำหรับผู้บริโภคทั่วไปในที่สุด เมื่อรวมกับออกซิเจนต่อหน้า a ตัวเร่งไฮโดรเจนจะปล่อยพลังงานและจับกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ

พื้นที่ สองปัญหาหลัก ขัดขวางไม่ให้เรามีพลังงานไฮโดรเจนทุกสิ่งที่เรามี การเก็บรักษา และการผลิต ในปัจจุบัน การผลิตไฮโดรเจนนั้นใช้พลังงานมากและมีราคาแพง โดยปกติ การผลิตไฮโดรเจนในภาคอุตสาหกรรมต้องการอุณหภูมิสูง สิ่งอำนวยความสะดวกขนาดใหญ่ และพลังงานจำนวนมหาศาล อันที่จริง มันมักจะมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติ ดังนั้นจึงไม่ใช่แหล่งเชื้อเพลิงที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ การทำให้กระบวนการนี้ถูกลง มีประสิทธิภาพ และยั่งยืนจะช่วยทำให้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้กันทั่วไปมากขึ้น

แหล่งไฮโดรเจนที่ยอดเยี่ยมและอุดมสมบูรณ์คือน้ำ แต่ในทางเคมี จำเป็นต้องมีการย้อนกลับปฏิกิริยาที่ไฮโดรเจนจะปล่อยพลังงานออกมาเมื่อรวมกับสารเคมีอื่นๆ นั่นหมายความว่าเราต้องใส่พลังงานเข้าไปในสารประกอบ เพื่อเอาไฮโดรเจนออกมา การเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการนี้จะนำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญต่ออนาคตของพลังงานสะอาด

วิธีหนึ่งเกี่ยวข้องกับการผสมน้ำกับสารเคมีที่เป็นประโยชน์ ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อลดปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการทำลายการเชื่อมต่อระหว่างไฮโดรเจนกับอะตอมของออกซิเจน มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นไปได้หลายประการสำหรับการสร้างไฮโดรเจน ได้แก่ โมลิบดีนัมซัลไฟด์, กราฟีนและแคดเมียมซัลเฟต งานวิจัยของฉันมุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของโมเลกุลของโมลิบดีนัมซัลไฟด์เพื่อให้ปฏิกิริยามีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากยิ่งขึ้น

การผลิตไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนคือ ธาตุที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในจักรวาลแต่หาได้ยากมากในรูปแบบไฮโดรเจนบริสุทธิ์ แต่มันรวมเข้ากับองค์ประกอบอื่นๆ เพื่อสร้างสารเคมีและสารประกอบจำนวนมาก เช่น ตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น เมทานอล และโปรตีนในร่างกายมนุษย์ รูปแบบบริสุทธิ์ H? สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในการขนส่งและมีประสิทธิภาพ

มี หลายวิธีในการผลิตไฮโดรเจน เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง อิเล็กโทรไลซิสใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ เริ่มต้นด้วยมีเทน (อะตอมของไฮโดรเจนสี่อะตอมจับกับอะตอมของคาร์บอน) และทำให้ร้อนโดยแยกไฮโดรเจนออกจากคาร์บอน วิธีการที่ใช้พลังงานมากนี้มักเป็นวิธีที่อุตสาหกรรมผลิตไฮโดรเจนที่ใช้ในสิ่งต่างๆ เช่น การผลิตแอมโมเนียหรือการกลั่นน้ำมัน

วิธีที่ฉันมุ่งเน้นคือ การแยกน้ำด้วยโฟโตคะตาไลติก. ด้วยความช่วยเหลือของตัวเร่งปฏิกิริยา ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการ "แยก" น้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนสามารถจัดหาได้จากแหล่งแสงอื่นที่มีอยู่มากมาย เมื่อสัมผัสกับแสง ส่วนผสมที่เหมาะสมของน้ำและตัวเร่งปฏิกิริยาจะผลิตทั้งออกซิเจนและไฮโดรเจน สิ่งนี้น่าสนใจมากสำหรับอุตสาหกรรม เพราะจะทำให้เราใช้น้ำเป็นแหล่งไฮโดรเจนแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลสกปรก

ทำความเข้าใจตัวเร่งปฏิกิริยา

ไม่ใช่ว่าทุกคนสองคนจะเริ่มต้นการสนทนาหากพวกเขาอยู่ในลิฟต์เดียวกัน ปฏิกิริยาทางเคมีบางอย่างไม่ได้เกิดขึ้นเพียงเพราะว่าวัสดุทั้งสองถูกนำมาใช้ โมเลกุลของน้ำสามารถแยกออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ด้วยการเพิ่มพลังงาน แต่ปริมาณพลังงานที่ต้องการจะมากกว่าที่จะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยา

บางครั้งต้องใช้บุคคลที่สามเพื่อให้สิ่งต่างๆ ดำเนินไป ในวิชาเคมี เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ในทางเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยาจะลดปริมาณพลังงานที่จำเป็นสำหรับสารประกอบสองชนิดเพื่อทำปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวทำงานเมื่อสัมผัสกับแสงเท่านั้น สารประกอบเหล่านี้ เช่น ไททาเนียมไดออกไซด์ คือ เรียกว่า photocatalysts.

เมื่อใช้ photocatalyst ในการผสม พลังงานที่จำเป็นในการแยกน้ำหยดอย่างมีนัยสำคัญ เพื่อให้ความพยายามได้รับพลังงานเมื่อสิ้นสุดกระบวนการ เราสามารถทำให้การแยกตัวมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยการเพิ่มสารอื่นในบทบาทที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาร่วม ตัวเร่งปฏิกิริยาร่วมในการผลิตไฮโดรเจนจะเปลี่ยนโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของปฏิกิริยา ทำให้มีประสิทธิภาพในการผลิตไฮโดรเจนมากขึ้น

จนถึงตอนนี้ยังไม่มีระบบการผลิตไฮโดรเจนเชิงพาณิชย์ในวิธีนี้ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะต้นทุน ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาร่วมที่ดีที่สุดที่เราพบสามารถช่วยในปฏิกิริยาเคมีได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่มีราคาแพงมาก ตัวอย่างเช่น ไททาเนียมไดออกไซด์และแพลตตินั่มที่มีแนวโน้มผสมกันเป็นครั้งแรกถูกค้นพบในปี 1972 อย่างไรก็ตาม แพลตตินัมเป็นโลหะที่มีราคาแพงมาก (มากกว่า 1,000 เหรียญสหรัฐต่อออนซ์). แม้แต่รีเนียม ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประโยชน์อีกตัวหนึ่ง ราคาประมาณ 70 ดอลลาร์ต่อออนซ์. โลหะประเภทนี้หาได้ยากในเปลือกโลกจนทำให้เกิดเป็นโลหะเหล่านี้ ไม่เหมาะกับงานขนาดใหญ่ แม้ว่าจะมีกระบวนการพัฒนาเพื่อ รีไซเคิลวัสดุเหล่านี้.

หาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่

มีข้อกำหนดมากมายสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดี เช่น ความสามารถในการรีไซเคิลและสามารถทนต่อความร้อนและความดันที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาได้ แต่สิ่งที่สำคัญคือความสำคัญของวัสดุก็คือ เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีมากที่สุดมีราคาถูกที่สุด

หนึ่งในวัสดุใหม่ล่าสุดและมีแนวโน้มมากที่สุดคือโมลิบดีนัมซัลไฟด์, MoS? เพราะมันประกอบด้วยธาตุโมลิบดีนัมและซัลเฟอร์ ซึ่งทั้งสองธาตุพบได้ทั่วไปบนโลก จึงมีราคาถูกกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเดิมมาก ต่ำกว่าดอลลาร์ต่อออนซ์. นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกต้องและคุณลักษณะอื่นๆ

ก่อนปลายทศวรรษ 1990นักวิจัยพบว่าโมลิบดีนัมซัลไฟด์ไม่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนน้ำให้เป็นไฮโดรเจนโดยเฉพาะ แต่นั่นเป็นเพราะว่านักวิจัยใช้ก้อนแร่หนาๆ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นรูปแบบเดียวกับเมื่อขุดจากพื้นดิน อย่างไรก็ตาม วันนี้ เราสามารถใช้กระบวนการเช่น การสะสมไอสารเคมี or กระบวนการที่ใช้โซลูชันเป็นหลัก เพื่อสร้างคริสตัล MoS ที่บางลงมาก? แม้กระทั่งความหนาของโมเลกุลเดี่ยว ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าในการสกัดไฮโดรเจนจากน้ำอย่างมาก

ทำให้กระบวนการดียิ่งขึ้น

โมลิบดีนัมซัลไฟด์สามารถทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยการจัดการคุณสมบัติทางกายภาพและทางไฟฟ้าของมัน กระบวนการที่เรียกว่า "การเปลี่ยนแปลงเฟส" ทำให้มีสารจำนวนมากขึ้นเพื่อมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่ผลิตไฮโดรเจน

เมื่อโมลิบดีนัมซัลไฟด์ก่อตัวเป็นผลึก อะตอมและโมเลกุลที่อยู่ด้านนอกของมวลของแข็งจะ พร้อมรับหรือบริจาคอิเล็กตรอนให้น้ำ เมื่อถูกแสงกระตุ้นให้เกิดการสร้างไฮโดรเจน โดยปกติแล้ว MoS? โมเลกุลที่อยู่ด้านในของโครงสร้างจะไม่บริจาคหรือรับอิเล็กตรอน อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับไซต์ขอบและไม่สามารถช่วยให้เกิดปฏิกิริยาได้มากเท่า

แต่เพิ่มพลังให้กับ MoS เหรอ? โดย ระเบิดด้วยอิเล็กตรอน,หรือ เพิ่มความกดดันรอบข้างทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า “การเปลี่ยนเฟส”ที่จะเกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงระยะนี้ไม่ใช่สิ่งที่คุณเรียนรู้ในวิชาเคมีพื้นฐาน (เกี่ยวข้องกับสารหนึ่งที่มีรูปของก๊าซ ของเหลว หรือของแข็ง) แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเล็กน้อยในการจัดเรียงโมเลกุลที่ เปลี่ยน MoS หรือไม่? จากเซมิคอนดักเตอร์ไปจนถึงโลหะ.

เป็นผลให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของโมเลกุลที่อยู่ด้านในมีพร้อมสำหรับปฏิกิริยาเช่นกัน ทำให้มีตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณเท่ากัน มีประสิทธิภาพมากกว่า 600 เท่า ในปฏิกิริยาวิวัฒนาการไฮโดรเจน

หากวิธีการเบื้องหลังการพัฒนาดังกล่าวสามารถทำให้สมบูรณ์ได้ เราก็อาจจะเข้าใกล้การทำให้การผลิตไฮโดรเจนมีราคาถูกลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้เราก้าวไปสู่อนาคตที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานหมุนเวียนที่สะอาดอย่างแท้จริง

เกี่ยวกับผู้เขียน

ปีเตอร์ ไบร์ลีย์ ปริญญาเอก ผู้สมัครสาขาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียริเวอร์ไซด์

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง

at ตลาดภายในและอเมซอน