Хотя водород является элементом в большом количестве, он обычно не встречается в виде чистого газа H2, но обычно связан с кислородом в воде (H2O) или с углеродом в метане (CH4), основным компонентом природного газа. В настоящее время промышленный водород производится из природного газа с использованием процесса, который потребляет много энергии, а также выделяет углерод в атмосферу, что способствует глобальным выбросам углерода.В статье, опубликованной 26 января в журнале Nature Chemistry, эксперты по нанотехнологиям из Stanford Engineering и датского Орхусского университета объясняют, как высвободить водород из воды в промышленных масштабах с помощью электролиза.
При электролизе электрический ток протекает через металлический электрод, погруженный в воду. Этот поток электронов вызывает химическую реакцию, которая разрывает связи между атомами водорода и кислорода.
Электрод служит катализатором, материалом, который может стимулировать одну реакцию за другой, но никогда не будет израсходован. Платина — лучший катализатор электролиза.
Если бы стоимость не имела значения, платину можно было бы использовать для производства водорода из воды сегодня.Но деньги имеют значение.
В мире потребляется около 55 миллиардов килограммов водорода в год. Сейчас производство водорода из метана стоит от 1 до 2 долларов за килограмм. Таким образом, любой конкурирующий процесс, даже если он более экологичный, должен повлиять на производственные затраты, что исключает электролиз на основе платины.
В своей статье Nature Chemistry исследователи описывают, как они модернизировали атомную структуру дешевого и распространенного промышленного материала, чтобы сделать его почти таким же эффективным при электролизе, как платина — открытие, которое может произвести революцию в промышленном производстве водорода.Проект был разработан Якобом Кибсгаардом, научным сотрудником, получившим докторскую степень, и Томасом Джарамилло, доцентом кафедры химической инженерии в Стэнфорде. Кибсгаард начал этот проект, работая с Флеммингом Бесенбахером, профессором Междисциплинарного центра нанонаук (iNANO) в Орхусе.
Подзаголовок: Знакомство с сульфидом молибденаСо времен Второй мировой войны инженеры-нефтяники использовали сульфид молибдена — сокращенно сульфид молибдена — для очистки нефти.Однако до сих пор это химическое вещество не считалось хорошим катализатором для производства сульфида молибдена для получения водорода из воды путем электролиза.
В конце концов ученые и инженеры пришли к пониманию того, почему: наиболее часто используемые материалы сульфида молибдена имеют неподходящее расположение атомов на поверхности.Обычно каждый атом серы на поверхности кристалла сульфида молибдена связан с тремя атомами молибдена внизу.
По сложным причинам, связанным со свойствами атомных связей водорода, такая конфигурация не способствует электролизу.В 2004 году профессор химической инженерии Стэнфорда Йенс Норсков, работавший тогда в Техническом университете Дании, сделал важное открытие. По краям кристалла некоторые атомы серы связаны всего с двумя атомами молибдена.
На этих краевых участках, которые характеризуются двойными, а не тройными связями, сульфид молибдена был гораздо более эффективным при образовании H2.Вооруженный этими знаниями, Кибсгаард нашел 30-летний рецепт изготовления формы сульфида молибдена с большим количеством этих двойных серных связей на краю.
Используя простую химию, он синтезировал нанокластеры этого особого сульфида молибдена. Он нанес эти нанокластеры на лист графита, материала, проводящего электричество. Вместе графит и сульфид молибдена образуют дешевый электрод. Он должен был заменить платину, идеальный, но дорогой катализатор для электролиза.
Тогда возник вопрос: может ли этот составной электрод эффективно стимулировать химическую реакцию, которая перестраивает атомы водорода и кислорода в воде?Как выразился Харамилло: «Все дело в химии о том, куда хотят попасть электроны, а катализ — в том, чтобы заставить эти электроны двигаться, создавая и разрывая химические связи».
Подзаголовок: Кислотный тестТаким образом, экспериментаторы подвергли свою систему кислотному испытанию — в буквальном смысле.
Они погрузили свой композитный электрод в воду, которая была слегка подкислена, что означало, что она содержала положительно заряженные ионы водорода. Эти положительные ионы притягивались к кластерам сульфида молибдена. Их форма с двойной связью дала им как раз правильные атомные характеристики, позволяющие пропускать электроны от графитового проводника к положительным ионам. Этот перенос электрона превратил положительные ионы в нейтральный молекулярный водород, который пузырился и уносился в виде газа.
Что наиболее важно, экспериментаторы обнаружили, что их дешевый молибденовый сульфидный катализатор потенциально может высвобождать водород из воды при чем-то, приближающемся к эффективности системы, основанной на непомерно дорогой платине.Подзаголовок: Да, но масштабируется ли оно?Но в химической инженерии успех в химическом стакане — это только начало.
Более серьезные вопросы заключались в следующем: сможет ли эта технология удовлетворить глобальный спрос на водород в 55 миллиардов килограммов в год и по какой цене готовой продукции за килограмм?В прошлом году Харамилло и дюжина соавторов изучили четыре производственные схемы в масштабе фабрики в статье для журнала Energy and Environmental Science Королевского химического общества.Они пришли к выводу, что было бы целесообразно производить водород на заводских электролизных установках по цене от 1,60 до 10,40 доллара за килограмм, что является конкурентоспособным на нижнем уровне с существующими методами, основанными на метане, хотя некоторые из их предположений были основаны на новом заводе. конструкции и материалы.
«Есть еще много кусочков головоломки, чтобы сделать эту работу, и впереди еще много усилий, чтобы их реализовать», — сказал Харамилло. «Однако мы можем получить огромную прибыль, перейдя от углеродоемких ресурсов к возобновляемым, устойчивым технологиям для производства химических веществ, необходимых для производства продуктов питания и энергии».