Con centrales hidroeléctricas en California, nuevo automóvil de consumo japonés y células de combustible de hidrógeno portátiles para la electrónica, el hidrógeno como fuente de combustible de cero emisiones ahora se está convirtiendo en una realidad para el consumidor promedio. Cuando se combina con oxígeno en presencia de un catalizador, el hidrógeno libera energía y se une al oxígeno para formar agua.
La dos dificultades principales impidiéndonos tener poder de hidrógeno todo lo que tenemos son STORAGE y producción Por el momento, la producción de hidrógeno consume mucha energía y es costosa. Normalmente, la producción industrial de hidrógeno requiere altas temperaturas, grandes instalaciones y una enorme cantidad de energía. De hecho, generalmente proviene de combustibles fósiles como el gas natural y, por lo tanto, no es en realidad una fuente de combustible de emisiones cero. Hacer que el proceso sea más barato, eficiente y sostenible contribuiría en gran medida a convertir el hidrógeno en un combustible de uso más común.
Una fuente excelente y abundante de hidrógeno es el agua. Pero químicamente, eso requiere revertir la reacción en la cual el hidrógeno libera energía cuando se combina con otros químicos. Eso significa que tenemos que poner energía en un compuesto, para sacar el hidrógeno. Maximizar la eficiencia de este proceso sería un progreso significativo hacia un futuro de energía limpia.
Un método implica mezclar agua con un químico útil, un catalizador, para reducir la cantidad de energía necesaria para romper las conexiones entre el hidrógeno y los átomos de oxígeno. Hay varios catalizadores prometedores para la generación de hidrógeno, incluidos sulfuro de molibdeno, grafeno y sulfato de cadmio. Mi investigación se centra en modificar las propiedades moleculares del sulfuro de molibdeno para hacer que la reacción sea aún más efectiva y más eficiente.
Haciendo hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, pero rara vez está disponible como hidrógeno puro. Más bien, se combina con otros elementos para formar una gran cantidad de sustancias químicas y compuestos, como disolventes orgánicos como el metanol y proteínas en el cuerpo humano. Su forma pura, H?, puede utilizarse como combustible transportable y eficiente.
Existen varias formas de producir hidrógeno para ser utilizable como combustible. La electrólisis usa electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Steam metano reformado comienza con metano (cuatro átomos de hidrógeno unidos a un átomo de carbono) y lo calienta, separando el hidrógeno del carbono. Este método de uso intensivo de energía es generalmente la forma en que las industrias producen hidrógeno que se utiliza en cosas como la producción de amoníaco o la refinación del petróleo.
El método en el que me estoy enfocando es división de agua fotocatalítica. Con la ayuda de un catalizador, la cantidad de energía necesaria para "dividir" el agua en hidrógeno y oxígeno puede ser proporcionada por otro recurso abundante: la luz. Cuando se expone a la luz, una mezcla adecuada de agua y un catalizador produce oxígeno e hidrógeno. Esto es muy atractivo para la industria porque nos permite utilizar el agua como fuente de hidrógeno en lugar de combustibles fósiles sucios.
Comprender los catalizadores
Del mismo modo que no cada dos personas comienzan una conversación si están en el mismo ascensor, algunas interacciones químicas no ocurren solo porque se introducen los dos materiales. Las moléculas de agua se pueden dividir en hidrógeno y oxígeno con la adición de energía, pero la cantidad de energía necesaria sería mayor a la que se generaría como resultado de la reacción.
Algunas veces se necesita un tercero para que las cosas funcionen. En química, eso se llama catalizador. Químicamente hablando, un catalizador reduce la cantidad de energía necesaria para que reaccionen dos compuestos. Algunos catalizadores funcionan solo cuando se exponen a la luz. Estos compuestos, como el dióxido de titanio, son llamados fotocatalizadores.
Con un fotocatalizador en la mezcla, la energía necesaria para dividir el agua cae significativamente, de modo que el esfuerzo genera una ganancia de energía al final del proceso. Podemos hacer la división aún más eficiente mediante la adición de otra sustancia, en un papel llamado cocatalizador. Los cocatalizadores en la generación de hidrógeno alteran la estructura electrónica de la reacción, por lo que es más eficaz en la producción de hidrógeno.
Hasta ahora, no hay ningún sistema comercializado para producir hidrógeno de esta manera. Esto es en parte debido al costo. Los mejores catalizadores y cocatalizadores que hemos encontrado son eficientes para ayudar con la reacción química, pero son muy costosos. Por ejemplo, la primera combinación prometedora, dióxido de titanio y platino, se descubrió en 1972. El platino, sin embargo, es un metal muy caro (más de US $ 1,000 por onza) Incluso el renio, otro catalizador útil, cuesta alrededor de $ 70 una onza. Metales como estos son tan raros en la corteza terrestre que esto los hace no es adecuado para aplicaciones a gran escala a pesar de que hay procesos que se están desarrollando para reciclar estos materiales.
Encontrar un nuevo catalizador
Existen muchos requisitos para un buen catalizador, como ser capaz de reciclarse y ser capaz de soportar el calor y la presión que conlleva la reacción. Pero igual de crucial es qué tan común es el material, porque los catalizadores más abundantes son los más baratos.
Uno de los materiales más nuevos y prometedores es el sulfuro de molibdeno, MoS?. Debido a que está compuesto por los elementos molibdeno y azufre, ambos relativamente comunes en la Tierra, es mucho más barato que los catalizadores más tradicionales. bien por debajo de un dólar por onza. También tiene las propiedades electrónicas correctas y otros atributos.
Antes de los últimos 1990s, los investigadores encontraron que el sulfuro de molibdeno no era particularmente efectivo para convertir el agua en hidrógeno. Pero eso fue porque los investigadores usaban gruesos trozos del mineral, esencialmente la forma en que se encuentra cuando se extrae del suelo. Hoy, sin embargo, podemos usar procesos como deposición de vapor químico or procesos basados en soluciones ¿Crear cristales de MoS mucho más delgados? – incluso hasta el espesor de una sola molécula – que son mucho más eficientes a la hora de extraer hidrógeno del agua.
Mejorando el proceso
El sulfuro de molibdeno se puede hacer aún más efectivo manipulando sus propiedades físicas y eléctricas. Un proceso conocido como "cambio de fase" hace que una mayor cantidad de la sustancia esté disponible para participar en la reacción de producción de hidrógeno.
Cuando el sulfuro de molibdeno forma cristales, los átomos y moléculas en el exterior de la masa sólida son listo para aceptar o donar electrones al agua cuando es excitado por la luz para impulsar la creación de hidrógeno. Normalmente, ¿el MoS? Las moléculas en el interior de la estructura no donarán ni aceptarán electrones. tan eficientemente como los sitios de borde, y por eso no puede ayudar tanto con la reacción.
¿Pero agregar energía al MoS? por bombardeándolo con electroneso aumentando la presión circundante, causa lo que se llama "cambio de fase" que se produzca. Este cambio de fase no es lo que se aprende en la química básica (que involucra a una sustancia que toma formas de gas, líquido o sólido), sino más bien un ligero cambio estructural en la disposición molecular que cambia el MoS? de un semiconductor a un metal.
Como resultado, las propiedades eléctricas de las moléculas en el interior también están disponibles para la reacción. Esto hace que la misma cantidad de catalizador sea potencialmente 600 veces más efectivo en la reacción de evolución de hidrógeno
Si los métodos detrás de este tipo de avance se pueden perfeccionar, entonces podemos estar un paso más cerca de hacer que la producción de hidrógeno sea más barata y más eficiente, lo que a su vez nos moverá hacia un futuro impulsado por energía realmente limpia y renovable.
Sobre el Autor
Peter Byrley, Ph.D. Candidato en Ingeniería Química, Universidad de California, Riverside
Este artículo se publicó originalmente el La conversación. Leer el articulo original.
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