«Энергия – самая важная проблема нашего времени, и для энергии, топливные клетки кардинально важны. И затем для топливных элементов, водород является самым важным», говорит Юй Лэй, докторант в Государственном университете Пенсильвании и первый автор новой статьи в Нано ACS, описывающем разделяющий воду катализатор она и ее коллеги, теоретически предсказанные и синтезируемые в лаборатории. «Люди искали хороший катализатор, который может эффективно разделить воду на водород и кислород. Во время этого процесса не будет никаких продуктов стороны, которые не безвредны для окружающей среды».
Текущий промышленный метод производства водорода – парового преобразования метана – приводит к выпуску CO2 в атмосферу. Другие методы используют отбросное тепло, такой как из продвинутых атомных электростанций или сконцентрированной солнечной энергии, оба из которых сталкиваются с техническими трудностями к становлению коммерчески выполнимым.
Другой производственный процесс использует платину в качестве катализатора, чтобы стимулировать разделяющий воду процесс. Хотя платина – почти совершенный катализатор, это также дорого.
Более дешевый катализатор мог сделать водород разумной альтернативой ископаемому топливу в транспортировке и топливными элементами власти для приложений аккумулирования энергии.«Дисульфид молибдена (MoS2) был предсказан как возможная замена для платины, потому что Гиббс, который свободная энергия для водородного поглощения близко к нолю», говорит Маурисио Терронес, преподаватель физики, материаловедения и разработки и химии в Государственном университете Пенсильвании.
Чем ниже Гиббс свободная энергия, тем менее внешняя энергия должна быть применена, чтобы произвести химическую реакцию.Однако экспериментально есть недостатки к использованию MoS2 как катализатор.
В его стабильной фазе MoS2 – полупроводник, который ограничивает его способность провести электроны. Чтобы обойти ту проблему, команда добавила уменьшенную графеновую окись, высоко проводящую форму углерода.
Затем чтобы далее уменьшить свободную энергию, они сплавили MoS2 с вольфрамом, чтобы создать тонкую пленку с переменными двусернистыми слоями графена и вольфрамового молибдена. Добавление вольфрама понижает электрическое напряжение, требуемое разделять воду наполовину, от 200 милливольт с чистым MoS2, к 96 милливольтам со сплавом вольфрамового молибдена.Сильное использование процесса воды очень небольшое количество электроэнергии относилось к электроду, погруженному в воду. Используя этот маленький потенциал, протоны в решении могут быть поглощены на поверхность катализатора.
Тогда два протона будут мигрировать вместе, чтобы сформировать водородный пузырь, который повышается до поверхности и выпускает водород.С теоретической точки зрения электронные орбитали играют важную роль. В случае чистого MoS2 орбитали от металла не накладываются хорошо с орбитальным из водорода в ключевом шаге реакции; однако, когда сплав присутствует, эти орбитали взаимодействуют хорошо, и делает реакцию более эффективной.
Это подобно тому, что платина делает, и причина, почему платина таким образом энергосберегающая при этой химической реакции. Однако в этой работе, исследователи показали, что более дешевые и более богатые элементы могут использоваться и достигнуть эффективности, которая выигрывает у всех лучших катализаторов.
«Что происходит в этих сплавах, изящное наложение орбиталей, которое делает реакцию более эффективной. Это не наблюдается в чистых компонентах. Это – пример, где гибрид лучше, чем чистые компоненты», говорит Хосе Л. Мендос-Кортес, преподаватель химического машиностроения, материаловедения и разработки и научного вычисления в штате Флорида.
Водородные топливные элементы могут повысить экономику экологически чистой энергии не только в транспортном секторе, где быстро заправка и модельный ряд транспортных средств опережает работающие от аккумулятора транспортные средства, но также и сохранить электроэнергию, произведенную солнечной и ветровой энергией. Эта работа – другой шаг вперед к достижению той цели.