Например, химические связи в газообразном водороде могут приводить в действие топливные элементы, двигатели внутреннего сгорания или генераторы. Используя природный катализатор из бактерий для вдохновения, исследователи теперь разработали самый быстрый синтетический катализатор для производства водорода — производящий 45 миллионов молекул в секунду. Вместо дорогостоящего металла в этом катализаторе используется недорогой никель в большом количестве в его активной сердцевине.Хотя для работы катализатора требуется больше энергии, чем для обычного платинового катализатора, понимание, полученное в результате этого результата, может в конечном итоге помочь сделать водородное топливо экологически чистым и доступным способом, сообщают исследователи в химическом журнале Angewandte Chemie International Edition.
«Следующее, над чем мы будем работать, — это сделать его более эффективным», — сказала химик Молли О’Хаган из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Нам по-прежнему приходится снабжать его слишком большим количеством электроэнергии, чтобы производить водород».Команда PNNL в течение нескольких лет разрабатывала катализатор на основе никеля, смоделированный на основе природного фермента, называемого гидрогеназой. Еще в 2011 году, работая в Центре молекулярного электрокатализа, Исследовательском центре DOE Energy Frontier, они создали синтетический катализатор, который был в 10 раз быстрее природного.
Этот естественный — 100 000 молекул водорода в секунду.Работая над разработкой катализатора, ученые тестировали свои катализаторы в реакциях, комбинируя катализатор и кислоты в различных средах. Одна вещь, которую они заметили, заключалась в том, что синтетический катализатор быстрее вырабатывает водород в вязкой жидкости, чем в свободно текущей.
«Мы использовали эту среду, которая была похожа на блинный сироп, и наблюдалась очень высокая скорость», — сказал О’Хаган. «У катализатора есть рычаги, которые перемещаются, чтобы позиционировать части химической реакции. Обычно они крутятся, как сумасшедшие, и части не всегда попадают в правильную цель. Когда это происходит, руки могут фактически застрять в положении, когда катализатор вообще не может соединить кусочки. Мы подумали, что этот густой сироп может замедлять хлопанье, позволяя рукам соединять кусочки более эффективно ».
Чтобы проверить эту гипотезу, команда разработала катализатор с более длинными руками, которые будут тянуть и замедлять шлепок. Они протестировали разную длину плеч и обнаружили, что чем длиннее рукава, тем быстрее катализатор производит молекулы водорода.Они также измерили, насколько быстро вращались руки. Чем длиннее руки, тем медленнее движение, что позволяет им связывать более быстрое производство водорода с более медленными движениями рук.
Как возбужденные дети, играющие в мяч, немного успокоившись, они смогут чаще попадать в цель.«Эта работа дала нам некоторое представление о движении катализатора и о том, как управлять этим движением, чтобы сделать его более эффективным», — сказал О’Хаган.