O nouă metodă pentru producerea hidrogenului din apă ar putea reduce costurile. Materialul folosește lumina pentru a declanșa reacția

Cercetătorii de la Oregon State University au dezvoltat o nouă categorie de materiale capabile să folosească lumina pentru a produce hidrogen din apă. Descoperirea ar putea deschide o direcție mai ieftină pentru obținerea hidrogenului cu ajutorul energiei solare, fără utilizarea unui catalizator suplimentar pe bază de metale scumpe.

Studiul a fost coordonat de Kyriakos Stylianou, de la College of Science al Oregon State University, iar rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society. Echipa a creat un fotocatalizator care poate produce hidrogen rapid și eficient. Hidrogenul este utilizat în prezent în celulele de combustie pentru vehicule, dar și în producția de amoniac, rafinarea metalelor și fabricarea materialelor plastice.

Cum folosește lumina noul material pentru a produce hidrogen

Cercetarea pornește de la diferența dintre un catalizator obișnuit și un fotocatalizator. Un catalizator accelerează o reacție chimică fără să fie consumat definitiv în timpul procesului. În cazul unui fotocatalizator, lumina are rolul de a activa materialul.

După ce absoarbe lumina, materialul ajunge într-o stare energetică superioară. Energia acumulată poate fi apoi utilizată pentru a accelera reacțiile chimice necesare producerii hidrogenului.

Echipa lui Stylianou lucrează cu structuri cunoscute drept metal-organic frameworks, sau MOF-uri. Acestea sunt materiale cristaline și poroase ale căror structuri pot fi ajustate pentru diferite aplicații. MOF-urile sunt alcătuite din ioni metalici încărcați pozitiv, înconjurați de molecule organice numite liganzi.

Porii foarte mici și structura configurabilă permit modificarea proprietăților acestor materiale. Potrivit cercetătorilor, teoretic sunt posibile milioane de structuri MOF diferite. Până acum, chimiștii au sintetizat aproape 100.000 dintre acestea, în timp ce proprietățile altor aproximativ 500.000 au fost deja prezise.

Legătura neobișnuită pe bază de sulf este esențială

Pentru noul studiu, cercetătorii s-au concentrat asupra unui MOF numit BVR-19. Materialul conține o legătură neobișnuită între atomi de sulf, care se poate rupe temporar atunci când este expusă la lumină. Procesul generează specii de sulf foarte reactive, capabile să participe la reacțiile necesare producerii hidrogenului.

Vezi și:

Panourile solare ajung sub apă. Cercetătorii au produs electricitate la 10 metri adâncime cu o tehnologie pe bază de perovskit

Tractorul electric care se încarcă singur la soare: poate lucra cinci ore și câștigă autonomie cât stă pe câmp

Un element important al descoperirii este rolul componentei organice din material. În loc ca atomii metalici să fie principalii responsabili pentru captarea energiei luminoase, componentele organice care conțin sulf preiau energia și contribuie la deplasarea electronilor către locul în care sunt necesari pentru producerea hidrogenului.

Potrivit lui Stylianou, această abordare schimbă modul în care pot fi proiectate astfel de materiale. BVR-19 nu are nevoie de un catalizator metalic suplimentar și scump, ceea ce ar putea simplifica viitoarele sisteme pentru producerea hidrogenului cu ajutorul luminii.

Materialul prezintă și un alt avantaj în procesul de fabricație. BVR-19 se formează spontan în soluții apoase, la temperatura camerei. Acest lucru reduce energia necesară pentru obținerea materialului și ar putea conta în dezvoltarea unor soluții mai eficiente din punct de vedere energetic.

De ce producerea hidrogenului din apă este importantă

Producerea hidrogenului prin descompunerea apei cu ajutorul unui catalizator poate avea un impact asupra emisiilor mai redus decât metoda industrială dominantă utilizată în prezent. Aceasta se bazează pe reformarea metanului cu abur și generează dioxid de carbon în timpul procesului.

Există deja metode de producere a hidrogenului din apă care folosesc electrocataliza. În acest caz, electricitatea este cea care furnizează energia necesară reacției catalitice. Beneficiile pentru mediu depind însă în mare măsură de sursa electricității. Pentru ca procesul să fie sustenabil și competitiv din punct de vedere economic, energia folosită trebuie să provină din surse regenerabile și să aibă un cost redus.

Diferența de preț rămâne una dintre principalele probleme. Hidrogenul obținut prin reformarea metanului cu abur costă în prezent aproximativ 1,50 dolari pe kilogram, în timp ce hidrogenul verde ajunge la aproximativ 5 dolari pe kilogram.

Cercetătorii caută materiale care să facă hidrogenul verde mai accesibil

Descoperirea de la Oregon State University ar putea contribui la reducerea acestei diferențe printr-o altă abordare a proiectării materialelor folosite în producția solară de combustibili.

Cercetătorii au analizat mai multe variante ale materialului și au modificat metalul, păstrând în rest structura în mare parte neschimbată. Compararea acestor versiuni le-a permis să observe de ce anumite tipuri de MOF funcționează mult mai eficient decât altele.

Kyriakos Stylianou, care conduce Materials Discovery Laboratory, cunoscut sub numele de MaD Lab, consideră că rezultatele pot oferi noi reguli pentru proiectarea materialelor capabile să producă mai eficient combustibili folosind energia solară.

Cercetarea a implicat membri ai MaD Lab, printre care Emmanuel Musa, Dylan Pyle, Jacob Lessard, Andrzej Gladysiak, Ankit Yadav, Silas Blessed și Prayash Mohanty. Lor li s-au alăturat Logan Lancaster, Taylor Krueger, Min Soo Jung, Galen Fritz, Jacob Hirschi, Hongliang Huang, William Stickle, Xiulei „David” Ji, Chong Fang și Tim Zuehlsdorff, de la Oregon State University.

De ce pun unii șoferi o pungă pe oglinzile mașinii peste noapte. Trucul care te poate scuti de o problemă dimineața