Et laserfokus på at finde bedre måder at lave vedvarende brændstoffer på

I jagten på alternativer til oliebaserede brændstoffer, en af ​​de mest lovende, og udfordrende, strategier involverer spaltning af vand. Forskere har i årtier gjort fremskridt med at bruge sollys til at splitte vandmolekyler i ilt og brint, hvor den resulterende brintgas kan anvendes som lagret brændstof. Men metoden er stadig for dyr. Materialer kaldet katalysatorer er nødvendige for at køre reaktionen, og den katalysator, der fungerer bedst, platin, er sjælden og dyr. Jagten er i gang efter gode katalysatorer lavet af jordrige, billige materialer.

"Folk talte om at splitte vand, da jeg var kandidatstuderende, under energikrisen i slutningen af ​​1970'erne. Faktisk, du kan finde papirer i litteraturen, hvor folk taler om dette helt tilbage i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, " siger Jay Winkler (Ph.D. '84), en fakultetsassistent og underviser i kemi ved Caltech og medlem af Beckman Instituttet. "Platin fungerer meget godt som katalysator, men det er ikke et praktisk materiale til stor energiproduktion, fordi der bare ikke er nok af det. Nogle andre materialer kører reaktionen godt, men er også meget sjældne. "

Winkler og hans kolleger, ledet af Harry Gray, Arnold O. Beckman professor i kemi og tidligere kandidatrådgiver for Winkler, har haft travlt med at udvikle nye typer katalysatorer baseret på miljøvenlige materialer som jern og nikkel. Deres mål er ikke kun at finde nye katalysatorer fremstillet af materialer, der er rigelige på jorden, men også for at finde måder at få disse katalysatorer til at drive vandspaltningsreaktionen så effektivt som muligt. At gøre det ville reducere de samlede omkostninger ved reaktionen nok til at konkurrere med naturressourcer som olie. Denne forskning er tilknyttet Center for Chemical Innovation in Solar Fuels (CCI Solar), et National Science Foundation-center baseret på Caltech.

Winklers fokus er på at zappe metaller med lasere. For omkring fem år siden, han og Astrid Müller, dengang en Caltech stabsforsker og nu professor ved University of Rochester, finjusteret en teknik, hvor en højenergi pulserende laser fokuserer på et metal i en væske (såsom jern i vand), generere en meget høj temperatur og tryk. Processen skaber en boble, der falder sammen og genudvides et par gange inden for millisekunder, frigivelse af jernbaserede nanopartikler, som er kandidaterne til at katalysere vandspaltningsreaktionen.

"Laserreaktionerne skaber et stærkt lysglimt og et højt brag, " siger Winkler. "Vi var nødt til at installere en lydtæt boks rundt om den, fordi man kunne høre den ude i hallen."

Splitting af vand er, generelt, en lidt simpel reaktion. Ideen er at bruge sollysets energi til at splitte to vandmolekyler (2H ₂ O) til oxygen (O ₂ og hydrogen (2H ₂ ) molekyler. Ilten kan frigives til atmosfæren og brinten lagres som brændstof. Kører reaktionen baglæns, ved hjælp af en brændselscelle, genererer elektricitet.

"At køre denne reaktion kræver energi, og så gemmer vi den energi. Vi ønsker at finde katalysatorer, der gør oxygen hurtigere og med så lidt ekstra energi som muligt."

Winker og hans team fokuserer på den første halvdel af den vandsplittende reaktion; skaber ilten. I deres eksperimenter, som stand-in for sollys, de bruger en elektrode drevet af elektricitet. Når de har lavet deres potentielle katalysatorer ved hjælp af laserteknikken, de belægger elektroden med katalysatorerne og kører reaktionen, for at se, hvor hurtigt ilt genereres.

Indtil nu, forskerne har et par gode kandidater, såsom en type jernbaseret nanopartikelmateriale kendt som et nikkeljern-lag dobbelthydroxid nanoark. Holdet har forsøgt at finde ud af, hvorfor denne katalysator fungerer godt. I et sæt eksperimenter, de udviklede en elektrokemisk metode til at fange og karakterisere molekylære tilstande genereret under reaktionen for at finde ud af, hvilke der er nøglen til dens effektivitet. De fandt ud af, at et stærkt oxideret jernsted på kanten af ​​et nanoark var et væsentligt element i katalysen. Dette arbejde, som blev ledet af Harvard Universitys Bryan Hunter, mens han var kandidatstuderende ved Caltech i Grey Lab (Ph.D. '17), vil hjælpe andre forskere med at justere katalysatoren og gøre den endnu bedre.

I fremtiden, holdet vil fortsætte med at udforske nye katalysatorer til fremstilling af brintbrændstof. For eksempel, de eksperimenterer med andre væsker end vand til at bruge i deres laser-zapping forsøg.

"Brintbrændstoffer er ikke i vid udstrækning nu, " siger Winkler. "Men jeg tror, ​​vi kommer til et punkt, hvor vi kan gøre disse brændstoffer mere effektivt - og så vil de blive mere konkurrencedygtige økonomisk."