Dengan pembangkit tenaga hidrogen di California, Sebuah mobil konsumen Jepang yang baru dan sel bahan bakar hidrogen portabel Untuk elektronik, hidrogen sebagai sumber bahan bakar nol emisi kini akhirnya menjadi kenyataan bagi konsumen rata-rata. Bila dikombinasikan dengan oksigen di hadapan a katalisator, hidrogen mengeluarkan energi dan ikatan dengan oksigen untuk membentuk air.

Grafik dua kesulitan utama mencegah kita memiliki kekuatan hidrogen segala sesuatu yang kita miliki penyimpanan dan produksi. Saat ini, produksi hidrogen itu intensif energi dan mahal. Biasanya, produksi industri hidrogen membutuhkan suhu tinggi, fasilitas besar dan sejumlah besar energi. Sebenarnya, itu biasanya berasal dari bahan bakar fosil seperti gas alam - dan karena itu sebenarnya bukan sumber bahan bakar nol emisi. Membuat proses lebih murah, efisien dan berkelanjutan akan berjalan jauh untuk membuat hidrogen menjadi bahan bakar yang lebih umum digunakan.

Sumber hidrogen yang bagus - dan melimpah adalah air. Tapi secara kimiawi, itu memerlukan pembalikan reaksi di mana hidrogen melepaskan energi saat dikombinasikan dengan bahan kimia lainnya. Itu berarti kita harus memasukkan energi ke dalam senyawa, untuk mengeluarkan hidrogen. Memaksimalkan efisiensi proses ini akan menjadi kemajuan yang signifikan menuju masa depan energi bersih.

Salah satu metode melibatkan pencampuran air dengan bahan kimia yang membantu, katalis, untuk mengurangi jumlah energi yang dibutuhkan untuk memutus hubungan antara atom hidrogen dan oksigen. Ada beberapa katalis yang menjanjikan untuk pembangkit hidrogen, termasuk molibdenum sulfida, graphene dan kadmium sulfat. Penelitian saya berfokus pada modifikasi sifat molibdenum sulfida molekdenum untuk membuat reaksi menjadi lebih efektif dan efisien.

Membuat hidrogen

Hidrogen adalah Elemen paling melimpah di alam semesta, tapi jarang tersedia dalam bentuk hidrogen murni. Sebaliknya, ia bergabung dengan unsur-unsur lain untuk membentuk banyak bahan kimia dan senyawa, seperti pelarut organik seperti metanol, dan protein dalam tubuh manusia. Bentuk murninya, H?, dapat digunakan sebagai bahan bakar yang mudah diangkut dan efisien.

Ada beberapa cara untuk menghasilkan hidrogen untuk dapat digunakan sebagai bahan bakar. Elektrolisis menggunakan listrik untuk memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Steam methane reforming dimulai dengan metana (empat atom hidrogen terikat pada atom karbon) dan memanaskannya, memisahkan hidrogen dari karbon. Metode intensif energi ini biasanya bagaimana industri menghasilkan hidrogen yang digunakan dalam hal-hal seperti memproduksi amonia atau penyulingan minyak.

Metode yang saya fokuskan adalah pemisahan air fotokatalitik. Dengan bantuan katalis, jumlah energi yang dibutuhkan untuk "membagi" air menjadi hidrogen dan oksigen dapat disediakan oleh cahaya sumber melimpah lainnya. Saat terkena cahaya, campuran air dan katalis yang tepat menghasilkan oksigen dan hidrogen. Hal ini sangat menarik bagi industri karena kemudian memungkinkan kita untuk menggunakan air sebagai sumber hidrogen daripada bahan bakar fosil yang kotor.

Memahami katalisator

Sama seperti tidak setiap dua orang memulai percakapan jika mereka berada di lift yang sama, beberapa interaksi kimia tidak terjadi hanya karena kedua bahan tersebut diperkenalkan. Molekul air dapat dipecah menjadi hidrogen dan oksigen dengan penambahan energi, namun jumlah energi yang dibutuhkan akan lebih dari yang akan dihasilkan sebagai hasil reaksi.

Terkadang dibutuhkan pihak ketiga untuk menyelesaikan sesuatu. Dalam kimia, itu disebut katalis. Secara kimia, katalis menurunkan jumlah energi yang dibutuhkan untuk dua senyawa untuk bereaksi. Beberapa katalis hanya berfungsi bila terkena cahaya. Senyawa ini, seperti titanium dioksida, adalah disebut photocatalysts.

Dengan fotokatalis dalam campuran, energi yang diperlukan untuk memisahkan tetesan air secara signifikan, sehingga usaha tersebut mendapatkan keuntungan energi pada akhir proses. Kita bisa membuat pemisahan menjadi lebih efisien dengan menambahkan zat lain, dalam peran yang disebut co-catalyst. Ko-katalis dalam pembangkit hidrogen mengubah struktur reaksi elektronik, membuatnya lebih efektif dalam menghasilkan hidrogen.

Sejauh ini, tidak ada sistem komersial untuk memproduksi hidrogen dengan cara ini. Hal ini sebagian karena biaya. Katalis dan katalisator terbaik yang kami temukan efisien dalam membantu reaksi kimia, namun sangat mahal. Misalnya, kombinasi menjanjikan pertama, titanium dioksida dan platinum, ditemukan di 1972. Platinum, bagaimanapun, adalah logam yang sangat mahal (lebih dari US $ 1,000 per ons). Bahkan renium, katalis lain yang berguna, harganya sekitar $ 70 per ounce. Logam seperti ini sangat langka di kerak bumi yang membuat ini terjadi tidak cocok untuk aplikasi berskala besar meskipun ada proses yang sedang dikembangkan daur ulang bahan-bahan ini.

Menemukan katalis baru

Ada banyak persyaratan untuk katalis yang baik, seperti dapat didaur ulang dan mampu menahan panas dan tekanan yang terlibat dalam reaksi. Tapi sama pentingnya adalah seberapa umum materi itu, karena katalis yang paling melimpah adalah yang termurah.

Salah satu material terbaru dan menjanjikan adalah molibdenum sulfida, MoS?. Karena terdiri dari unsur molibdenum dan belerang – keduanya relatif umum di Bumi – katalis ini jauh lebih murah dibandingkan katalis tradisional, baik di bawah satu dolar per ons. Ini juga memiliki sifat elektronik dan atribut lainnya yang benar.

Sebelum 1990s terlambat, peneliti telah menemukan bahwa molibdenum sulfida tidak terlalu efektif untuk mengubah air menjadi hidrogen. Tapi itu karena para periset menggunakan potongan mineral yang tebal, intinya bentuknya saat ditambang dari tanah. Hari ini, bagaimanapun, kita bisa menggunakan proses seperti deposisi uap kimia or proses berbasis solusi untuk membuat kristal MoS yang jauh lebih tipis? – bahkan hingga ketebalan satu molekul – yang jauh lebih efisien dalam mengekstraksi hidrogen dari air.

Membuat proses lebih baik lagi

Molibdenum sulfida dapat dibuat lebih efektif lagi dengan memanipulasi sifat fisik dan elektrikalnya. Proses yang dikenal sebagai "perubahan fasa" membuat lebih banyak zat tersedia untuk berpartisipasi dalam reaksi penghasil hidrogen.

Bila molibdenum sulfida membentuk kristal, atom dan molekul di bagian luar massa padat siap menerima atau menyumbangkan elektron ke air ketika tereksitasi oleh cahaya untuk mendorong penciptaan hidrogen. Biasanya, MoS? molekul di bagian dalam struktur tidak akan menyumbangkan atau menerima elektron seefisien situs tepi, dan jadi tidak bisa banyak membantu dengan reaksinya.

Tapi menambahkan energi ke MoS? oleh Membombardirnya dengan elektron, atau meningkatkan tekanan di sekitarnya, menyebabkan apa yang disebut "perubahan fase"Terjadi. Perubahan fasa ini bukanlah yang Anda pelajari dalam kimia dasar (melibatkan satu bentuk pengambilan zat dari gas, cair atau padat) melainkan sedikit perubahan struktural dalam pengaturan molekuler yang mengubah MoS? dari semikonduktor menjadi logam.

Akibatnya, sifat listrik molekul di dalam menjadi tersedia untuk reaksi juga. Hal ini membuat jumlah katalis yang sama potensial 600 kali lebih efektif dalam reaksi evolusi hidrogen.

Jika metode di balik terobosan semacam ini dapat disempurnakan, maka kita mungkin akan menjadi langkah besar untuk membuat produksi hidrogen lebih murah dan lebih efisien, yang pada gilirannya akan menggerakkan kita menuju masa depan yang didukung oleh energi terbarukan yang benar-benar bersih.

Tentang Penulis

Peter Byrley, Ph.D. Kandidat Teknik Kimia, Universitas California, Riverside

Artikel ini awalnya diterbitkan pada Percakapan. Membaca Artikel asli.

Buku terkait

at Pasar InnerSelf dan Amazon