Avec centrales à hydrogène en Californieun nouvelle voiture de consommation japonaise et piles à hydrogène portatives pour l'électronique, l'hydrogène en tant que source de carburant à zéro émission devient enfin une réalité pour le consommateur moyen. Lorsqu'il est combiné avec de l'oxygène en présence d'un catalyseurl'hydrogène libère de l'énergie et des liaisons avec l'oxygène pour former de l'eau.

La deux principales difficultés nous empêcher d'avoir la puissance de l'hydrogène tout ce que nous avons sont storage et production. À l'heure actuelle, la production d'hydrogène est énergivore et coûteuse. Normalement, la production industrielle d'hydrogène nécessite des températures élevées, de grandes installations et une énorme quantité d'énergie. En fait, il provient généralement de combustibles fossiles comme le gaz naturel - et n'est donc pas réellement une source de carburant à émissions nulles. Rendre le procédé meilleur marché, efficace et durable permettrait de faire de l'hydrogène un combustible plus communément utilisé.

Une source excellente et abondante d'hydrogène est l'eau. Mais chimiquement, cela nécessite d'inverser la réaction dans laquelle l'hydrogène libère de l'énergie lors de la combinaison avec d'autres produits chimiques. Cela signifie que nous devons mettre de l'énergie dans un composé, pour faire sortir l'hydrogène. Maximiser l'efficacité de ce processus serait un progrès important vers un avenir d'énergie propre.

Une méthode consiste à mélanger de l'eau avec un produit chimique utile, un catalyseur, pour réduire la quantité d'énergie nécessaire pour rompre les connexions entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène. Il existe plusieurs catalyseurs prometteurs pour la production d'hydrogène, notamment sulfure de molybdène, le graphène et le sulfate de cadmium. Ma recherche se concentre sur la modification des propriétés moléculaires du sulfure de molybdène pour rendre la réaction encore plus efficace et plus efficace.

Faire de l'hydrogène

L'hydrogène est le élément le plus abondant dans l'univers, mais il est rarement disponible sous forme d’hydrogène pur. Au contraire, il se combine avec d’autres éléments pour former un grand nombre de produits chimiques et de composés, tels que des solvants organiques comme le méthanol et des protéines présentes dans le corps humain. Sa forme pure, H?, peut être utilisée comme carburant transportable et efficace.

Il y a plusieurs façons de produire de l'hydrogène être utilisable comme carburant. L'électrolyse utilise l'électricité pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. Réformage du méthane à la vapeur commence par le méthane (quatre atomes d'hydrogène liés à un atome de carbone) et le chauffe, en séparant l'hydrogène du carbone. Cette méthode énergivore est généralement la façon dont les industries produisent de l'hydrogène qui est utilisé dans des choses comme la production d'ammoniac ou le raffinage du pétrole.

La méthode sur laquelle je me concentre est séparation d'eau photocatalytique. Avec l'aide d'un catalyseur, la quantité d'énergie nécessaire pour «diviser» l'eau en hydrogène et oxygène peut être fournie par une autre ressource abondante, la lumière. Lorsqu'il est exposé à la lumière, un bon mélange d'eau et d'un catalyseur produit à la fois de l'oxygène et de l'hydrogène. C'est très attrayant pour l'industrie car cela nous permet d'utiliser l'eau comme source d'hydrogène au lieu de carburants fossiles sales.

Comprendre les catalyseurs

Tout comme pas tous les deux personnes commencent une conversation s'ils sont dans le même ascenseur, certaines interactions chimiques ne se produisent pas simplement parce que les deux matériaux sont introduits. Les molécules d'eau peuvent être divisées en hydrogène et oxygène avec l'ajout d'énergie, mais la quantité d'énergie nécessaire serait plus importante que ce qui serait généré par la réaction.

Parfois, il faut un tiers pour faire bouger les choses. En chimie, c'est ce qu'on appelle un catalyseur. Chimiquement parlant, un catalyseur réduit la quantité d'énergie nécessaire pour que deux composés réagissent. Certains catalyseurs ne fonctionnent que lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Ces composés, comme le dioxyde de titane, sont appelé photocatalyseurs.

Avec un photocatalyseur dans le mélange, l'énergie nécessaire pour diviser l'eau diminue considérablement, de sorte que l'effort entraîne un gain d'énergie à la fin du processus. Nous pouvons rendre le fractionnement encore plus efficace en ajoutant une autre substance, dans un rôle appelé co-catalyseur. Les co-catalyseurs dans la production d'hydrogène modifient la structure électronique de la réaction, ce qui la rend plus efficace pour produire de l'hydrogène.

Jusqu'à présent, il n'y a aucun système commercialisé pour produire de l'hydrogène de cette façon. C'est en partie à cause du coût. Les meilleurs catalyseurs et co-catalyseurs que nous avons trouvés sont efficaces pour aider à la réaction chimique, mais sont très coûteux. Par exemple, la première combinaison prometteuse, le dioxyde de titane et le platine, a été découverte dans 1972. Le platine, cependant, est un métal très cher (bien plus de US $ 1,000 par once). Même le rhénium, un autre catalyseur utile, coûte environ $ 70 une once. Les métaux comme ceux-ci sont si rares dans la croûte terrestre que cela les rend ne convient pas pour les applications à grande échelle même s'il y a des processus en cours d'élaboration pour recycler ces matériaux.

Trouver un nouveau catalyseur

Il existe de nombreuses exigences pour un bon catalyseur, telles que pouvoir être recyclé et être capable de supporter la chaleur et la pression impliquées dans la réaction. Mais il est tout aussi crucial de savoir à quel point le matériau est commun, car les catalyseurs les plus abondants sont les moins chers.

L'un des matériaux les plus récents et les plus prometteurs est le sulfure de molybdène, MoS™. Parce qu'il est composé d'éléments molybdène et soufre – tous deux relativement courants sur Terre – il est beaucoup moins cher que les catalyseurs plus traditionnels. bien moins d'un dollar par once. Il a également les propriétés électroniques correctes et d'autres attributs.

Avant la fin 1990s, les chercheurs ont découvert que le sulfure de molybdène n'était pas particulièrement efficace pour transformer l'eau en hydrogène. Mais c'était parce que les chercheurs utilisaient des morceaux épais du minéral, essentiellement la forme dans laquelle ils sont extraits du sol. Aujourd'hui, cependant, nous pouvons utiliser des processus comme dépôt chimique en phase vapeur or les processus basés sur la solution créer des cristaux de MoS beaucoup plus fins ? – même jusqu’à l’épaisseur d’une seule molécule – qui sont beaucoup plus efficaces pour extraire l’hydrogène de l’eau.

Rendre le processus encore meilleur

Le sulfure de molybdène peut être rendu encore plus efficace en manipulant ses propriétés physiques et électriques. Un processus connu sous le nom de «changement de phase» rend plus de la substance disponible pour participer à la réaction de production d'hydrogène.

Lorsque le sulfure de molybdène forme des cristaux, les atomes et les molécules situés à l'extérieur de la masse solide sont prêt à accepter ou à donner des électrons à l'eau lorsqu'il est excité par la lumière, il stimule la création d'hydrogène. Normalement, le MoS ? les molécules à l’intérieur de la structure ne donneront ni n’accepteront d’électrons aussi efficacement que les sites de bord, et ne peut donc pas aider autant avec la réaction.

Mais ajouter de l’énergie au MoS ? par bombarder avec des électronsou augmenter la pression environnante, provoque ce qu'on appelle "changement de phase" arriver. Ce changement de phase n'est pas ce que vous apprenez en chimie de base (impliquant une substance prenant des formes de gaz, liquide ou solide), mais plutôt un léger changement structurel dans l'arrangement moléculaire qui change le MoS ? d'un semi-conducteur à un métal.

En conséquence, les propriétés électriques des molécules à l'intérieur deviennent également disponibles pour la réaction. Cela rend la même quantité de catalyseur potentiellement 600 fois plus efficace dans la réaction d'évolution de l'hydrogène.

Si les méthodes à la base de ce type de percée peuvent être perfectionnées, nous pourrions faire un grand pas en avant pour rendre la production d'hydrogène moins chère et plus efficace, ce qui nous propulsera vers un avenir alimenté par une énergie propre et renouvelable.

A propos de l'auteur

Peter Byrley, Ph.D. Candidat en génie chimique, Université de Californie, Riverside

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.

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