Grønnere brint fra vand

Ideen om at bruge brint som grundlag for en ren bæredygtig energikilde, ofte betegnet som en brintøkonomi, har været et samtaleemne i årtier. Brint brændstof, for eksempel, udleder ingen kuldioxid og anses for at være mere bæredygtig end traditionelle fossile brændstoffer.

Det letteste grundstof i det periodiske system, brint er en energibærer, der kan bruges til at drive brændselsceller i transportkøretøjer, bygninger eller anden infrastruktur. Brint kan også hjælpe med at upcycle ting som halm, græs og anden biomasse til højværdikemikalier, der bruges i alt fra plastik til maling til personlig pleje.

Men teknologien, der driver disse innovationer, har stået over for alvorlige udfordringer, hovedsagelig fordi frigivelse af brint til disse formål hovedsageligt produceres gennem processer, der kræver fossile brændstoffer og har en miljømæssig omkostning - kuldioxid.

Nu, University of Delaware ingeniør Feng Jiao har patenteret en proces, der kan være nøglen til at producere grønnere brint fra vand ved hjælp af elektricitet og en kobber-titanium-katalysator.

Fokus på vedvarende energi

Jiao, en lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og associeret direktør for Center for Katalytisk Videnskab og Teknologi ved UD, var ikke altid interesseret i vandelektrolyse, som bruger elektricitet til at reducere vand til brintgas og iltmolekyler. Da han første gang kom til UD-fakultetet i 2010, hans forskningsprogram fokuserede på batteriernes energilagringsevne.

"Men vi indså, at batterier er en dyr teknologi til storskala energilagring, så mit laboratorium begyndte at fokusere på gavnlige måder at bruge elektricitet på i stedet, " sagde Jiao. "Kemisk omdannelse er en måde at gøre dette på."

I første omgang, Jiao og hans forskerhold fokuserede på at udvikle processer til at omdanne kuldioxid til nyttige kemikalier, såsom ethanol, der kan bruges i syntetiske brændstoffer, eller ethylen, der kan bruges til at fremstille polymerer og plast. Et projekt, finansieret af National Science Foundation og senere af National Aeronautics and Space Administration (NASA), undersøgt måder at omdanne kuldioxid til ilt, noget, der ville være meget nyttigt til udforskning af det dybe rum. Jiao og hans elever udviklede et effektivt system, men fandt ud af, at de havde brug for en bedre katalysator til at drive reaktionen.

Da de testede forskellige metaller til jobbet, forskerne opdagede uventet, at en kobber-titanium-legering kun er blandt nogle få uædle, metalbaserede katalysatorer, der kan spalte vand til brintgas og oxygen, en proces kaldet brintudvikling. Både kobber og titanium anses for at være billige og relativt rigelige sammenlignet med ædle metaller, som sølv eller platin, typisk egnet til jobbet.

Brint produceres i øjeblikket ved hjælp af det, der er kendt som damp-methan reformering, hvor naturgas og høj varme bruges til at frigøre brintmolekyler fra metan. Jiao kalder det en "beskidt proces", fordi når brintgassen fjernes, alt der er tilbage er kulstof, normalt i form af kuldioxid.

"Så, du kan producere brint billigt, men til en miljømæssig omkostning - kuldioxidemissioner, " siger Jiao.

Dette fik Jiao til at tænke på renere måder at producere brint på uden de miljømæssige omkostninger.

Renere, grønnere processer

Kobber er kendt for at være god til at lede både varme og elektricitet. Det er derfor, det er det foretrukne materiale til elektriske ledninger i vores hjem, køkkengrej, elektronik, dele til motorkøretøjer, selv aircondition og boligvarmedele.

Imidlertid, kobber alene er ikke effektiv til at producere brint. Men tilføj noget interessant kemi - og en lille smule titanium - og en verden af ​​muligheder åbner sig pludselig for at skabe katalysatorer, der trækker deres vægt og tjener miljøet.

"Med en lille smule titanium i, kobberkatalysatoren opfører sig omkring 100 gange bedre end kobber alene, " sagde Jiao. Dette er fordi, når de er parret sammen, de to metaller skaber unikke aktive steder, der hjælper hydrogenatomerne med at interagere kraftigt med katalysatoroverfladen på en måde, der kan sammenlignes med ydeevnen af ​​meget dyrere platinbaserede katalysatorer.

While traditional chemical processes start with fossil fuels, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, " said Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), for det meste, også, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, også, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, fremstilling, and once you can build a product, you can commercialize and export it, " sagde Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in ACS katalyse , a journal of the American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.