Broget besætning:Rust og lys er et muligt svar på gåden med produktion af brintbrændstof

I dagens fortælling om klimaændringer, forurening, og reducerede ressourcer, ét brændstof kunne være en game-changer inden for energiindustrien:brint. Når det brændes i en forbrændingsmotor eller i et elektrisk kraftværk, brintbrændstof producerer kun vand - hvilket gør det langt renere end vores nuværende fossile brændstoffer. Uden produktion af giftig gas, intet bidrag til klimaændringer, og ingen smog, brint kan være svaret på en fremtid med renere energi, så hvorfor er det ikke mere udbredt?

Det er der to grunde til. Først, brint er meget brandfarligt og lækker let fra lagertanke, forårsager potentiel eksplosionsfare under opbevaring og transport. Sekund, selvom rent brint forekommer naturligt på Jorden, det findes ikke i tilstrækkelige mængder til omkostningseffektiv udnyttelse. Hydrogenatomer skal udvindes fra molekyler som metan eller vand, som kræver en stor mængde energi. Selvom der findes flere teknikker til at producere brintbrændstof, videnskabsmænd mangler endnu at gøre denne proces "effektiv" nok til at gøre brint til et kommercielt konkurrencedygtigt brændstof på energimarkedet. Indtil dette er opnået, fossile brændstoffer vil formentlig fortsat dominere industrien.

I årtier, videnskabsmænd har arbejdet hen imod en billig, effektiv, og sikker måde at producere brintbrændstof på. En af de mest lovende metoder til at opnå dette er gennem solcelledrevne processer, ved at bruge lys til at fremskynde (eller "katalysere") reaktionen til at spalte vandmolekyler til oxygen og brintgas. I 1970'erne, to videnskabsmænd beskrev Honda-Fujishima-effekten, som bruger titaniumdioxid som fotokatalysator i brintproduktion. Med udgangspunkt i denne forskning, et team af japanske forskere ledet af prof Ken-ichi Katsumata fra Tokyo University of Science, søgte at bruge en billigere, mere let tilgængelig halvlederkatalysator til denne reaktion, med håb om at øge effektiviteten yderligere, reduktion af produktionsomkostningerne og sikkerheden af ​​brintbrændstof. Deres undersøgelse offentliggjort i Kemi:Et europæisk tidsskrift angiver, at ved at bruge en form for rust kaldet α-FeOOH, brintproduktion under Hg-Xe lampebestråling kan være 25 gange højere end titaniumdioxidkatalysator under samme lys.

Eksperimentet udført af prof Katsumata og kolleger havde til formål at løse de almindelige udfordringer, man støder på ved brug af halvlederkatalysatorer i soldrevet brintproduktion. Der er tre store forhindringer beskrevet af forfatterne. Den første er behovet for, at katalysatormaterialet er egnet til brug af lysenergi. Den anden er, at de fleste fotokatalysatorer, der i øjeblikket anvendes, kræver sjældne eller "ædle" metaller som cokatalysatorer, som er dyre og svære at skaffe. Det sidste problem opstår ved selve produktionen af ​​brint og oxygengasser. Hvis det ikke adskilles med det samme, blandingen af ​​disse to gasser kan i bedste fald reducere brintbrændstofproduktionen, og i værste fald, forårsage en eksplosion. Derfor, de havde til formål at finde en løsning, der ikke kun kan øge reaktionens effektivitet, men også med succes forhindre brint og ilt i at genkobles og skabe en potentiel fare.

Holdet identificerede en lovende katalysatorkandidat i α-FeOOH (eller rust) og opstillede et eksperiment for at evaluere dens effektivitet for brintproduktion og de optimale eksperimentelle betingelser for dens aktivering. "Vi var virkelig overraskede over genereringen af ​​brint ved hjælp af denne katalysator, " siger prof Katsumata, "fordi de fleste af jernoxiderne ikke vides at reducere til brint. Efterfølgende vi søgte efter betingelsen for at aktivere α-FeOOH og fandt ud af, at oxygen var en uundværlig faktor, hvilket var den anden overraskelse, fordi mange undersøgelser viste, at oxygen undertrykker brintproduktion ved at fange de exciterede elektroner." Holdet bekræftede produktionsmekanismen for brint fra vand-methanol-opløsning ved hjælp af en 'gas-kromatografi-massespektrometri'-metode, viser, at α-FeOOH var 25 gange mere aktiv end titandioxidkatalysatoren brugt i tidligere forskning, understøtter stabil brintproduktion i mere end 400 timer!

Der vil være behov for mere forskning for at optimere denne proces. Prof Katsumata uddyber:"Oiltens specifikke funktion ved aktivering af lysinduceret α-FeOOH er ikke blevet afsløret endnu. Derfor, at udforske mekanismen er den næste udfordring." For nu, disse resultater af Katsumata og hans kolleger repræsenterer nye fremskridt i produktionen af ​​en ren, nul-emissions energikilde, der vil være central for fremtidens bæredygtige samfund!