Producerer brint ved at bruge mindre energi

Den måde, hvorpå en forbindelse inspireret af naturen producerer brint, er nu blevet beskrevet detaljeret for første gang af et internationalt forskerhold fra University of Jena, Tyskland og universitetet i Milano-Bicocca, Italien. Disse fund er grundlaget for den energieffektive produktion af brint som en bæredygtig energikilde.

Naturen som model

Der er naturligt forekommende mikroorganismer, der producerer brint, ved hjælp af særlige enzymer kaldet hydrogenaser. "Det særlige ved hydrogenaser er, at de genererer brint katalytisk. I modsætning til elektrolyse, som normalt udføres industrielt under anvendelse af en dyr platinkatalysator, mikroorganismerne bruger organometalliske jernforbindelser, "forklarer prof. Wolfgang Weigand fra Institut for uorganisk og analytisk kemi ved universitetet i Jena i Tyskland." Som energikilde, brint er naturligvis af stor interesse. Derfor ønsker vi at forstå præcis, hvordan denne katalytiske proces foregår, "tilføjer han.

I fortiden, talrige forbindelser er allerede blevet produceret på verdensplan, der er kemisk modelleret på de naturligt forekommende hydrogenaser. I samarbejde med universitetet i Milano, Weigand og hans team i Jena har nu produceret en forbindelse, der har givet helt ny indsigt i katalyseprocessen.

"Som i naturen, vores model er baseret på et molekyle, der indeholder to jernatomer. Sammenlignet med den naturlige form, imidlertid, vi ændrede jernets kemiske miljø på en bestemt måde. For at være præcis, en amin blev erstattet af et phosphinoxid med lignende kemiske egenskaber. Vi bragte derfor elementet fosfor i spil. "

Detaljeret indsigt i elektrokatalytisk brintproduktion

Dette gjorde Weigand og hans team i stand til bedre at forstå processen med brintdannelse. Vand består af positivt ladede protoner og negativt ladede hydroxidioner.

"Vores mål var at forstå, hvordan disse protoner danner brint. Men protondonoren i vores eksperimenter var ikke vand, men en syre, "Weigand siger." Vi observerede, at syrens proton overføres til phosphinoxidet i vores forbindelse efterfulgt af en protonfrigivelse til et af jernatomerne. En lignende proces ville også findes i den naturlige variant af molekylet, "tilføjer han. For at balancere protonens positive ladning og i sidste ende producere brint, negativt ladede elektroner blev introduceret i form af elektrisk strøm. Ved hjælp af cyklisk voltammetri og simuleringssoftware udviklet ved University of Jena, de enkelte trin, hvor disse protoner endelig blev reduceret til frit hydrogen, blev undersøgt.

"Under forsøget vi kunne faktisk se, hvordan hydrogengassen steg fra opløsningen i små bobler, "noterer Weigand." De eksperimentelle måledata fra den cykliske voltammetri og simuleringsresultaterne blev derefter brugt af forskergruppen i Milano til kvantekemiske beregninger, "tilføjer Weigand." Dette gjorde det muligt for os at foreslå en sandsynlig mekanisme for, hvordan hele reaktionen forløber kemisk til at producere brint - og dette for hvert enkelt trin i reaktionen. Dette er aldrig blevet gjort før med dette niveau af nøjagtighed. "Gruppen offentliggjorde resultaterne og den foreslåede reaktionsvej i det berømte tidsskrift" ACS -katalyse ".

Målet:Brint gennem solenergi

Baseret på disse fund, Weigand og hans team ønsker nu at udvikle nye forbindelser, der ikke kun kan producere brint på en energieffektiv måde, men også bruge bæredygtige energikilder til at gøre det.

"Målet med Transregio Collaborative Research Center 234 'CataLight', som denne forskning er en del af, er produktion af brint ved spaltning af vand ved brug af sollys, "Weigand forklarer." Med den viden, vi har fået fra vores forskning, vi arbejder nu på at designe og undersøge nye katalysatorer baseret på hydrogenaserne, som i sidste ende aktiveres ved hjælp af lysenergi. "