Lavpris, skalerbar vandspaltning giver næring til fremtidens brintøkonomi

"Ren energiøkonomien" ser altid ud til at være et par skridt væk, men aldrig helt her. Mest energi til transport, opvarmning og køling og fremstilling leveres stadig ved hjælp af fossile brændstoffer. Men med et par videnskabelige gennembrud, brint, det mest udbredte element i universet, kunne være energibæreren i et fremtidigt ren energisamfund. Tager et skridt tættere på det undvigende mål, et team af videnskabsmænd fra Penn State og Florida State University har udviklet en billigere og industrielt skalerbar katalysator til at producere rent brint gennem en lavenergi-vandspaltningsproces.

"Energi er det vigtigste spørgsmål i vores tid, og for energi, brændselsceller er afgørende. Og så for brændselsceller, brint er vigtigst, " siger Yu Lei, en doktorgradskandidat ved Penn State og førsteforfatter til et nyt papir i ACS Nano beskriver den vandspaltende katalysator, hun og hendes kolleger teoretisk forudsagde og syntetiserede i laboratoriet. "Folk har ledt efter en god katalysator, der effektivt kan opdele vand i brint og ilt. Under denne proces, der vil ikke være nogen biprodukter, der ikke er miljøvenlige."

Den nuværende industrielle metode til fremstilling af brint – dampreformering af metan – resulterer i frigivelse af CO2 til atmosfæren. Andre metoder udnytter spildvarme, fra avancerede atomkraftværker, eller koncentreret solenergi, begge står over for tekniske udfordringer for at blive kommercielt gennemførlige. En anden industriel proces bruger platin som katalysator til at drive vandspaltningsprocessen. Selvom platin er en næsten perfekt katalysator, det er også dyrt. En billigere katalysator kunne gøre brint til et rimeligt alternativ til fossile brændstoffer i transport, og kraftbrændselsceller til energilagringsapplikationer.

"Molybdændisulfid (MoS2) er blevet forudsagt som en mulig erstatning for platin, fordi Gibbs frie energi til brintabsorption er tæt på nul, " siger Mauricio Terrones, professor i fysik, materialevidenskab og teknik og kemi i Penn State. Jo lavere Gibbs fri energi, jo mindre ekstern energi skal der bruges for at frembringe en kemisk reaktion.

Imidlertid, eksperimentelt, der er ulemper ved at bruge MoS2 som katalysator. I sin stabile fase, MoS2 er en halvleder, hvilket begrænser dens evne til at lede elektroner. For at komme uden om det problem, holdet tilføjede reduceret grafenoxid, en stærkt ledende form for kulstof. Derefter, for yderligere at reducere den frie energi, de legerede MoS2 med wolfram for at skabe en tynd film med vekslende grafen- og wolfram-molybdendisulfidlag. Tilsætningen af ​​wolfram sænker den elektriske spænding, der kræves for at dele vand med det halve, fra 200 millivolt med ren MoS2, til 96 millivolt med wolfram-molybdænlegeringen.

Vandsplitningsprocessen bruger en meget lille mængde elektrisk energi tilført en elektrode nedsænket i vand. Ved at bruge dette lille potentiale, protonerne i opløsningen kan absorberes på overfladen af ​​katalysatoren. Derefter vandrer to protoner sammen for at danne en brintboble, der stiger til overfladen og frigiver brintet.

Fra et teoretisk synspunkt, elektronorbitalerne spiller en afgørende rolle. I tilfælde af ren MoS2, orbitalerne fra metallet overlapper ikke godt med orbitalen af ​​hydrogen i nøglereaktionstrinnet; imidlertid, når legeringen er til stede, interagerer disse orbitaler godt og gør reaktionen mere effektiv. Dette ligner, hvad platin gør, og grunden til, at platin er så energieffektivt ved denne kemiske reaktion. Imidlertid, i dette arbejde, forskere viste, at billigere og mere rigelige elementer kan bruges og nå en effektivitet, der overgår alle de bedste katalysatorer.

"Det, der sker i disse legeringer, er et udsøgt overlap af orbitaler, som gør reaktionen mere effektiv. Dette er ikke observeret i de rene komponenter. Det er et eksempel, hvor hybriden er bedre end de rene komponenter, "siger Jose L. Mendoza-Cortes, professor i kemiteknik, materialevidenskab og teknik og videnskabelig databehandling i Florida State.

Brintbrændselsceller kan øge en ren energiøkonomi ikke kun i transportsektoren, hvor hurtig tankning og køretøjs rækkevidde overstiger batteridrevne køretøjer, men også til at lagre elektrisk energi produceret af sol og vind. Dette arbejde er endnu et skridt fremad for at nå dette mål.