와 캘리포니아의 수소 발전소은 새로운 일본 소비자 차 과 휴대용 수소 연료 전지 전자 제품의 경우, 제로 (zero) 배출 연료 원으로서의 수소가 마침내 평균 소비자에게 현실이되고 있습니다. 산소가있는 상태에서 산소와 결합하면 촉매, 수소는 에너지를 방출하고 산소와 결합하여 물을 형성한다.

　 두 가지 주요 어려움 우리가 가지고있는 모든 것을 수소로 만들지 못하게합니다. 저장 및 생산. 현재 수소 생산은 에너지 집약적이며 비용이 많이 듭니다. 일반적으로 수소를 산업적으로 생산하려면 고온, 대규모 시설 및 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. 사실, 그것은 보통 천연 가스와 같은 화석 연료에서 나오므로 실제로 제로 방출 연료 원이 아닙니다. 공정을보다 저렴하고 효율적이며 지속 가능하게 만드는 것은 수소를보다 보편적으로 사용되는 연료로 만들기위한 먼 길을 모색 할 것입니다.

풍부하고 풍부한 수소는 물입니다. 그러나 화학적으로, 그것은 다른 화학 물질과 결합 할 때 수소가 에너지를 방출하는 반응을 뒤집을 것을 요구합니다. 그것은 우리가 수소를 빼내기 위해 화합물에 에너지를 넣어야한다는 것을 의미합니다. 이 공정의 효율을 극대화하는 것은 청정 에너지 미래를 향한 중요한 진전 일 것입니다.

한 가지 방법은 수소와 산소 원자 사이의 연결을 끊는 데 필요한 에너지의 양을 줄이기 위해 유용한 화학 물질 인 촉매와 촉매를 섞어서 물을 혼합하는 방법입니다. 수소 생성을위한 유망한 촉매가 몇 가지있다. 몰리브덴 황화물, 그래 핀 및 황산 카드뮴. 저의 연구는 반응을 더욱 효과적이고 효율적으로 만들기 위해 몰리브덴 황화물의 분자 특성을 수정하는 것에 중점을 둡니다.

수소 만들기

수소는 우주에서 가장 풍부한 원소, 그러나 순수한 수소로 이용 가능한 경우는 거의 없습니다. 오히려 다른 원소와 결합하여 메탄올과 같은 유기용매, 인체 내 단백질 등 수많은 화학물질과 화합물을 형성합니다. 순수한 형태인 H는 운송이 가능하고 효율적인 연료로 사용될 수 있습니다.

다음의 수소를 생산하는 몇 가지 방법 연료로 사용할 수 있습니다. 전기 분해는 전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분리합니다. 스팀 메탄 개질 메탄 (탄소 원자에 결합 된 4 개의 수소 원자)으로 시작하여이를 가열하여 탄소에서 수소를 분리합니다. 이 에너지 집약적 인 방법은 일반적으로 암모니아를 생산하거나 석유를 정제하는 것과 같이 산업에서 수소를 생산하는 방법입니다.

내가 집중하고있는 방법은 광촉매 물 분해. 촉매의 도움으로 물을 수소와 산소로 "분열시키는"데 필요한 에너지의 양은 다른 풍부한 자원 - 빛에 의해 제공 될 수 있습니다. 빛에 노출되면 물과 촉매의 적절한 혼합물이 산소와 수소를 생성합니다. 이것은 더러운 화석 연료 대신에 수소를 수소 공급원으로 사용할 수 있기 때문에 산업계에 매우 매력적입니다.

촉매 이해

두 명 모두가 같은 엘리베이터에 있으면 대화를 시작하지 않는 것과 마찬가지로 두 가지 재료가 도입 되었기 때문에 일부 화학적 상호 작용이 발생하지 않습니다. 물 분자는 에너지가 추가되면 수소와 산소로 분리 될 수 있지만, 필요한 에너지 양은 반응의 결과로 생성되는 것보다 많을 것입니다.

때로는 일을 시작하기 위해 타사가 필요합니다. 화학에서는 촉매라고 부릅니다. 화학적으로 말해서 촉매는 두 화합물이 반응하는 데 필요한 에너지 양을 줄입니다. 일부 촉매는 빛에 노출되었을 때에 만 기능합니다. 이 화합물은 이산화 티탄과 같이 소위 광촉매.

혼합 된 광촉매를 사용하면 물을 쪼개기 위해 필요한 에너지가 크게 떨어 지므로 공정이 끝날 때 에너지가 증가합니다. 우리는 보조 물질 (co-catalyst)이라는 역할로 다른 물질을 추가함으로써 분열을 더욱 효율적으로 만들 수 있습니다. 수소 생성에있는 조 촉매는 반응의 전자 구조를 변화시켜 수소 생산에보다 효과적입니다.

지금까지 수소를 생산하는 상업화 된 시스템은 없습니다. 이것은 부분적으로 비용 때문입니다. 우리가 발견 한 최고의 촉매와 조 촉매는 화학 반응을 돕는데 효율적이지만 매우 비쌉니다. 예를 들어 1972에서 최초의 유망한 조합 인 이산화 티탄과 백금이 발견되었습니다. 백금, 그러나, 매우 비싼 금속 (온스당 US $ 1,000 이상). 또 다른 유용한 촉매 인 레늄 (rhenium) 온스 당 약 $ 70의 비용. 이런 금속들은 지구의 지각에서 매우 드물어서 대규모 응용에는 적합하지 않다. 에 개발되고있는 프로세스가 있지만 재활용.

새로운 촉매 찾기

재활용 할 수 있고 반응에 관련된 열과 압력을 견딜 수있는 등 좋은 촉매에 대한 많은 요구 사항이 있습니다. 그러나 가장 중요한 촉매가 가장 저렴하기 때문에 재료가 얼마나 공통적 인 지와 마찬가지로 중요합니다.

가장 새롭고 가장 유망한 재료 중 하나는 황화몰리브덴(MoS?)입니다. 이는 지구상에서 상대적으로 흔한 몰리브덴과 황 원소로 구성되어 있기 때문에 기존 촉매보다 훨씬 저렴합니다. 1 온스 당 1 달러 미만이다.. 또한 올바른 전자 특성 및 기타 특성을 가지고 있습니다.

늦은 1990s 전에연구가들은 몰리브덴 황화물이 물을 수소로 전환 시키는데 특히 효과적이지 않다는 것을 발견했다. 그러나 그것은 연구원들이 광물의 두꺼운 덩어리를 사용했기 때문에, 본질적으로 그것이 땅속에서 채굴 될 때의 형태였습니다. 그러나 오늘날에는 다음과 같은 프로세스를 사용할 수 있습니다. 화학 기상 증착 or 솔루션 기반 프로세스 훨씬 더 얇은 MoS 결정을 생성하려면? – 단일 분자의 두께까지 – 물에서 수소를 추출하는 데 훨씬 더 효율적입니다.

프로세스 개선

몰리브덴 황화물은 물리적 및 전기적 특성을 조작함으로써 훨씬 더 효과적 일 수 있습니다. "상 변화"로 알려진 과정은 수소 생성 반응에 참여할 수있는 물질을 더 많이 만든다.

몰리브덴 황화물이 결정체를 형성 할 때, 고체 덩어리의 외부에있는 원자 및 분자는 전자를 수락하거나 물에 기증 할 준비가 됨. 빛에 의해 여기되면 수소 생성이 촉진됩니다. 일반적으로 MoS? 구조 내부의 분자는 전자를 주거나 받지 않습니다. 가장자리 사이트만큼 효율적으로, 그래서 반응을 많이 도울 수는 없습니다.

하지만 MoS에 에너지를 추가한다고요? ~에 의해 전자로 충격을 주다.및 주변 압력 증가, "상 변화"발생합니다. 이 상 변화는 기본 화학 (기체, 액체 또는 고체의 형태를 취하는 하나의 물질 포함)에서 배우는 것이 아니라 분자 배열에서의 약간의 구조적 변화 MoS를 바꾸나요? 반도체에서 금속으로.

결과적으로, 내부의 분자의 전기적 특성이 반응에 이용 가능하게된다. 이것은 같은 양의 촉매를 잠재적으로 만든다. 600 배 효과적 수소 발생 반응에서.

이런 종류의 획기적인 방법이 완성 될 수 있다면 수소 생산을보다 저렴하고 효율적으로 만드는 데 한 걸음 더 다가 갈 수 있습니다. 그러면 우리는 진정한 청정 재생 에너지로 미래를 향해 나아갈 것입니다.

저자에 관하여

Peter Byrley, Ph.D. 화학 공학과, University of California, 리버 사이드

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