2019-03-25 05:50:02
激光专注于寻找更好的方法来制造可再生燃料

在寻找石油燃料的替代品时,最有前途和最具挑战性的策略之一就是分解水。几十年来,研究人员一直在利用太阳光将水分子分解成氧气和氢气,其中所产生的氢气可用作储存燃料。但这种方法仍然太贵了。需要使用称为催化剂的材料来进行反应,而效果最好的催化剂铂是稀有且昂贵的。寻找用于由地球丰富,廉价材料制成的良好催化剂。

在20世纪70年代末的能源危机期间,当我还是一名研究生时,人们正在谈论将水分解回来。事实上,你可以在文献中找到人们在20世纪早期人们谈论这个问题的论文。 ,Jay Winkler博士(博士,84年),加州理工学院化学系教师和讲师以及贝克曼研究所成员。 “Platinum作为催化剂非常有效,但它不是大规模发电的实用材料,因为它还不够。其他一些材料反应良好,但也非常罕见。”

Winkler和他的同事,由Harry Gray,Arnold O. Beckman化学教授和Winkler的前研究生顾问领导,一直忙于开发基于环保材料如铁和镍的新型催化剂。他们的目标不仅是寻找由地球丰富的材料制成的新催化剂,而且还想找到使这些催化剂尽可能有效地驱动水分解反应的方法。这样做会降低反应的总成本,足以与石油等自然资源竞争。该研究与位于加州理工学院的国家科学基金会中心的太阳能燃料化学创新中心(CCI Solar)有关。

温克勒的重点是用激光切换金属。大约五年前,他和当时加州理工学院的科学家,现在是罗彻斯特大学教授的阿斯特丽德·穆勒(AstridMüller)对一种高能脉冲激光聚焦于液体中的金属(如铁)的技术进行了微调。在水中),产生非常高的温度和压力。该过程产生的气泡在几毫秒内坍塌并重新膨胀几次,释放出铁基纳米颗粒,这是催化水分解反应的候选物。

“激光反应会产生明亮的闪光和砰的一声,”温克勒说。 “我们不得不在它周围安装一个隔音箱,因为你可以在大厅里听到它。”

通常,分裂水是一种简单的反应。这个想法是利用太阳能将两个水分子(2H2O)分解成氧气(O2)和氢气(2H2)。氧气可以释放到大气中,氢气作为燃料储存。在燃料电池的帮助下向后运行反应,发电。

“运行这种反应需要能量,然后我们储存这些能量。我们希望找到能够使氧气更快并且尽可能少的额外能量的催化剂。”

Winker和他的团队正在关注水分解反应的前半部分;创造氧气。在他们的实验中,作为阳光的替身,他们使用电力驱动的电极。一旦他们使用激光技术制造了潜在的催化剂,他们就会在电极上涂上催化剂并进行反应,看看氧气产生的速度有多快。

到目前为止,研究人员有一些很好的候选者,例如一种称为镍铁层状双氢氧化物纳米片的铁基纳米粒子材料。该团队一直试图找出这种催化剂运行良好的原因。在一组实验中,他们开发了一种电化学方法来捕获和表征反应过程中产生的分子状态,以找出哪些是其效率的关键。他们发现纳米片边缘的高氧化铁位点是催化中的必需元素。这项工作由哈佛大学的Bryan Hunter领导,当时他是加州理工学院灰色实验室(Ph.D.17)的研究生,将帮助其他研究人员调整催化剂并使其更好。

未来,该团队将继续探索制造氢燃料的新催化剂。例如,他们正在试验除水以外的液体,以用于激光切割试验。

“氢燃料现在还没有广泛使用,”温克勒说。 “但我认为我们将能够更有效地制造这些燃料 - 然后它们将在经济上变得更具竞争力。”

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