Stor indflydelse, lille element - brintkraft på nanoskalaen

At bruge brint til energiproduktion er ikke noget nyt. Men med sin forskning, Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE) Ph.D. kandidat Ajay Pisat håber at frigøre sit fulde potentiale som primær, mainstream energilagringsmedium ved at maksimere effektiviteten af ​​brintproduktion gennem fotokatalyse.

Selvom der forskes meget med fotokatalyse, Pisats arbejde på nano-niveau er et vigtigt første skridt, der fører til større forskning, fordi det fokuserer på det lavest mulige niveau, det strukturelle niveau. Han bruger sin tid på laboratoriet til at konstruere overflademorfologi af oxidforbindelser, optimering af deres overfladearealer til hydrogenudvikling, som, på tur, øger effektiviteten af ​​brintproduktion gennem fotokatalyse.

Hvis Pisat er i stand til videnskabeligt at konstruere overfladestrukturen af ​​oxidforbindelsen, som hans laboratorium bruger - strontiumtitanat, som har en lignende struktur som mange andre oxidforbindelser - for maksimal effektivitet, så kan han konstruere lignende forbindelser, der absorberer sollys bedre. Forskere kunne derefter bruge disse forbindelser i større skala, på hele fotokatalytiske systemer.

"Vi føler, at det er materialets struktur, der er afgørende for processen, "Pisat siger." Men materialets kemi er afgørende for den faktiske funktionalitet. "

Videnskaben

Fotokatalyse, generelt, bruger lys i forbindelse med katalysatormaterialer for at muliggøre eller fremskynde kemiske reaktioner. Den særlige reaktion, der involverer spaltning af vand i hydrogen og ilt, kaldes fotokatalytisk vandspaltning, eller fotokatalytisk brintproduktion. Det producerede brint kan derefter bruges til at drive brændselsceller eller generatorer på stedet, der er uafhængige af infrastrukturbaserede elnet-med andre ord, en konsekvent strømkilde på steder, hvor disse strømnet ikke når.

To yderligere fordele ved fortsat brintkraftforskning er renligheden og fornyelsen af ​​den resulterende brintkraft. I modsætning til de CO2 -emissioner og drivhusgasser, der skyldes fossile brændstoffer, brintkraft giver ikke skadelige biprodukter.

Derudover sollyset og vandet, der kræves til fotokatalytisk brintproduktion, er næsten uendeligt. Sammen med sollys og vand, fotokatalyse kræver en katalysator. En katalysator er et materiale, der øger hastigheden af ​​en kemisk reaktion. I den fotokatalytiske proces, en katalysator (oftest en oxidforbindelse) er nedsænket i vand. Når vandet bombarderes med sollys, katalysatoren forårsager en kemisk reaktion på de punkter, hvor katalysatorforbindelsen kommer i kontakt med vandet. Det er denne reaktion, der deler vandmolekylerne fra hinanden.

Selvom dette kan virke som en ret ligetil proces, forskere har stødt på et par vejspærringer, der forhindrer fotokatalyse i at producere sit maksimale potentiale for brint. Den ene er lysabsorptionen af ​​oxidforbindelseskatalysatorerne. Til dato, forskere har kæmpet for at finde en passende forbindelse, der er i stand til at absorbere det synlige område af solspektret, som rummer den nødvendige energi til fotokatalyse. De fleste forbindelser er meget gode til at absorbere UV -stråler, men disse stråler tegner sig kun for 5% af hele lysspektret, og nogle forbindelser absorberer infrarød stråling, som ikke har tilstrækkelig energi til fotokatalyse.

En anden udfordring er mængden af ​​hydrogen, der produceres af en hvilken som helst katalysator. Brintproduktion er direkte relateret til katalysatorens overfladeareal.

Den måde Pisat forklarer det på:forestil dig din mobiltelefon nedsænket i et kar med vand. Overalt hvor vandet rammer ydersiden af ​​din telefon, er der kemiske reaktioner (f.eks. Brintproduktion). Nu billede skærer din mobiltelefon i to stykker.

"Nu har vi afsløret yderligere to overflader, "Siger Pisat." Og hvis vi bliver ved med at gøre dette, vi kommer bare til at udsætte mere og mere overflade for den samme mængde masse. "Da vand kommer i kontakt med en større mængde af telefonens overflade, der vil blive produceret mere brint.

Prøv nu at forestille dig noget mindre end en telefon. Måske, for eksempel, en kop fuld af piller så små, at de ligner pulver. Forestil dig kun at samle en af ​​de pellets op. Det er næsten som at tage et sandkorn, kun mindre. Det er her Pisat udfører sit arbejde:nano-niveau.

Fotokatalytiske reaktioner består faktisk af to individuelle reaktioner:brintudvikling og dens modreaktion. Forskellige overfladestrukturer har en tendens til at favorisere den ene reaktion frem for den anden, reducere effektiviteten af ​​den samlede reaktion. Pisats arbejde på nano-niveau handler om at afbalancere områderne for de enkelte reaktioner ved hjælp af billige termiske behandlinger, så den samlede reaktion kan forløbe så effektivt som muligt.

Inspirationen

Selvom hans forskning er enestående og forbløffende fokuseret, Pisat forstår sit arbejde som kun et lille stykke af en meget større proces. Den større proces kan passende beskrives som en seks-felts motorvej, hver bane tønder mod samme målgang. Det er bare sådan, at Pisat fandt sin bane som bachelor i Indien.

Som indfødt i Mumbai, han voksede op i en verden, der påvirkede hans beslutning om at forfølge den forskning, han har. "I mit eget liv, " han siger, "Jeg fik at se, at klimaet ikke er det samme. Jeg har set luftkvaliteten forringet i hele min egen barndom." Hvert femte år, han deler, han kunne se og mærke kvaliteten af ​​den luft, der sænkede sig omkring ham.

Så da han kom på college, han var meget opmærksom på den major, han valgte:materialeteknik. Gennem sine studier, han blev involveret i forskning om ren, vedvarende brintkraft gennem fotokatalyse og materialeteknik af oxidforbindelser.

I forfølgelsen af ​​sin ph.d. hos Carnegie Mellon, han valgte et program, hvor han kunne studere med ikke én, men tre professorer udfører forskning på nano-niveau om oxidforbindelser, der bruges til fotokatalyse:Gregory Rohrer, Paul Salvador, og Mohammad Islam. I øjeblikket, han bliver rådgivet af professorer Rohrer og Salvador.

Når vi ser bredt på hans og andres forskning, Pisat værdsætter det arbejde, der stadig skal udføres.

"Det bruges muligvis ikke med det samme, fordi alt andet bare er så billigt, " han siger, når man bliver spurgt om den praktiske fremtid for brintkraft. "Kul er bare så billigt. Så at konkurrere med den slags teknologier kommer til at tage noget tid."

Mens, som han siger, det vil tage noget tid, Pisat har gjort store fremskridt. "Jeg gør bestemt en masse fremskridt, " han siger, hvad angår de resultater, han ser i laboratoriet. "Når denne teknik [overflademorfologioptimering] er perfektioneret, "tilføjer han, "folk vil prøve at bruge det til at konstruere hele fotokatalytiske systemer for at gøre brintproduktionen fuldstændig drevet af solenergi. Måske derefter, efter fem eller ti år, vi kan se dem konkurrere med gas. "