カリフォルニアの水素発電所 新しい日本の消費者車 & ポータブル水素燃料電池 電子機器では、ゼロエミッション燃料源としての水素が最終的に平均的な消費者にとって現実的になっています。 酸素の存在下で酸素と組み合わせると、 触媒水素はエネルギーを放出し、酸素と結合して水を生成する。
2つの主な困難 私たちが持っているすべてのものに水素を供給することを妨げている ストレージ利用料 と生産。 現時点では、水素製造はエネルギー集約的で高価です。 通常、水素の工業生産には、高温、大規模設備、および膨大なエネルギーが必要です。 実際には、天然ガスのような化石燃料に由来するため、実際にはゼロエミッションの燃料源ではありません。 プロセスをより安価で効率的かつ持続可能なものにすることは、水素をより一般的に使用される燃料にするための大きな道を行くだろう。
優れた豊富な水素源は水です。 しかし、化学的には、それは他の化学物質と組み合わせて水素がエネルギーを放出する反応を逆転させることを必要とする。 つまり、水素を排出するためには、化合物にエネルギーを入れなければなりません。 このプロセスの効率を最大限にすることは、クリーンエネルギーの未来に向けて重要な進歩となるだろう。
1つの方法は、水と有用な化学物質、触媒とを混合して、水素原子と酸素原子との間の結合を破壊するのに必要なエネルギー量を低減することを含む。 水素生成のための有望な触媒がいくつかあります。 硫化モリブデン、グラフェンおよび硫酸カドミウム。 私の研究は、硫化モリブデンの分子特性を改変して、反応をより効果的かつ効率的にすることに焦点を当てています。
水素を作る
水素は 宇宙の最も豊かな要素, but it’s rarely available as pure hydrogen. Rather, it combines with other elements to form a great many chemicals and compounds, such as organic solvents like methanol, and proteins in the human body. Its pure form, H?, can used as a transportable and efficient fuel.
全 水素を生産するいくつかの方法 燃料として使用できるようにする。 電気分解は水を水素と酸素に分割するために電気を利用します。 蒸気メタン改質 メタン（炭素原子に結合した4つの水素原子）で始まり、それを加熱して炭素から水素を分離する。 このエネルギー集約的な方法は、通常、アンモニアの生成や油の精製などに使用される水素の産生方法です。
私が注目している方法は 光触媒水分解。 触媒の助けを借りて、水を水素と酸素に「分割する」ために必要なエネルギーの量は、豊富な資源で充実しています。 光に暴露されると、水と触媒の適切な混合物が酸素と水素の両方を生成する。 これは、汚れた化石燃料ではなく水素の供給源として水を使用できるため、業界にとって非常に魅力的です。
触媒の理解
同じエレベーター内にいれば2人とも会話を開始するわけではないので、2つの材料が導入されているためにいくつかの化学的相互作用は起こらない。 水分子は、エネルギーを加えて水素と酸素に分けることができますが、必要なエネルギー量は反応の結果として生成される以上になります。
時には物事を進めるために第三者がかかることもあります。 化学では触媒と呼ばれています。 化学的に言えば、触媒は、2つの化合物が反応するのに必要なエネルギー量を低下させる。 一部の触媒は、光に暴露された場合にのみ機能する。 これらの化合物は、二酸化チタンのように、 いわゆる光触媒.
混合物中に光触媒を用いると、水を分割するのに必要なエネルギーが著しく低下し、その結果、プロセスの最後にエネルギが増加する。 助触媒と呼ばれる別の物質を加えることで、より効率的に分裂を行うことができます。 水素生成における助触媒は、反応の電子構造を変え、水素をより効率的に生成させる。
今のところ、このように水素を生産するための商業化されたシステムはありません。 これは部分的にはコストのためです。 我々が見いだした最良の触媒および助触媒は、化学反応を助けるのに効率的であるが、非常に高価である。 例えば、最初の有望な組み合わせ、二酸化チタンとプラチナは、1972で発見されました。 しかし、プラチナは非常に高価な金属です（1オンス当たりUS $ 1,000以上）。 別の有用な触媒であるレニウムも、 $ 70オンスあたりの費用。 これらのような金属は地球の地殻で非常にまれであるため、 大規模アプリケーションには適していません プロセスが開発されているにもかかわらず これらの材料をリサイクルする.
新しい触媒の発見
リサイクルすることができ、反応に関わる熱と圧力に耐えることができるなど、良好な触媒には多くの要件があります。 しかし、最も豊富な触媒が最も安価であるため、物質がどれほど共通しているかが重要です。
One of the newest and most promising materials is molybdenum sulfide, MoS?. Because it is made up of the elements molybdenum and sulfur – both relatively common on Earth – it is far cheaper than more traditional catalysts, 1オンス当たり1ドルの下。 それはまた、正しい電子特性および他の属性を有する。
後期1990sの前研究者らは、硫化モリブデンが水を水素に変えるのに特に効果的ではないことを発見した。 しかし、それは研究者がミネラルの厚い塊を使用していたからです。本質的に地面から採掘されたときの形です。 しかし、今日では、 化学蒸着 or ソリューションベースのプロセス to create much thinner crystals of MoS? – even down to the thickness of a single molecule – which are vastly more efficient at extracting hydrogen from water.
プロセスをより良くする
硫化モリブデンは、その物理的および電気的特性を操作することによってさらに効果的にすることができる。 「相変化」として知られているプロセスは、水素生成反応に関与する物質の多くを利用可能にする。
硫化モリブデンが結晶を形成するとき、固体塊の外側の原子および分子は、 電子を水に受け入れたり寄付したりする準備ができている when excited by light to drive the creation of hydrogen. Normally, the MoS? molecules on the inside of the structure will not donate or accept electrons エッジサイトと同じ効率で、それで反応を助けることはできません。
But adding energy to the MoS? by それに電子を投げつけるまたは 周囲の圧力を高める、いわゆる "相転移" 発生することが。 この相変化は、基本的な化学（1つの物質が気体、液体または固体の形態を取ることを含む）ではなく、むしろ分子配列におけるわずかな構造変化 changes the MoS? from a semiconductor to a metal.
その結果、内部の分子の電気的特性も同様に反応に利用可能となる。 これにより、同じ量の触媒が潜在的に 600回より効果的 水素発生反応において、
このような画期的な方法が完成すれば、より安価で効率的な水素製造に近づくことができ、本当にクリーンで再生可能なエネルギーで動く未来に向かって進むでしょう。
著者について
Peter Byrley、Ph.D. 化学工学の候補者、 カリフォルニア大学リバーサイド校
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