Блог

Aug 22, 2023

Найденное золото с помощью молекулярного решения тайны для получения потенциально чистой энергии

Исследовательская группа под руководством штата Пенсильвания раскрыла молекулярный механизм, лежащий в основе явления, называемого переливом водорода. Понимание может привести к более эффективному и действенному хранению водорода для

Исследовательская группа под руководством штата Пенсильвания раскрыла молекулярный механизм, лежащий в основе явления, называемого переливом водорода. Понимание этого может привести к более эффективному и действенному хранению водорода для использования экологически чистой энергии. Современные методы требуют значительных затрат энергии и места для хранения водорода в жидкой форме. Фото: Хирун/Getty Images. Все права защищены.

31 августа 2023 г.

Эшли ВеннерсХеррон

УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания. Распространение водорода — это именно то, на что это похоже. Маленькие наночастицы металлов, закрепленные на термически стабильном оксиде, таком как кремнезем, составляют основной класс катализаторов, представляющих собой вещества, используемые для ускорения химических реакций, не расходуясь сами по себе. Каталитическая реакция обычно происходит на химически активном и дорогом металле, но на некоторых катализаторах атомоподобные эквиваленты буквально перетекают из металла в оксид. Эти виды водорода на оксиде называются «переливом водорода».

Впервые описанный в 1964 году, этот любопытный объект в последнее время привлек больше внимания как потенциальный путь использования водорода для получения экологически чистой энергии; однако, по словам Берта Чендлера, профессора химического машиностроения и химии в Пенсильванском университете, он не добился большого прогресса. Во многом это связано с тем, что, хотя исследователям удавалось идентифицировать перелив водорода в течение почти 60 лет, никто не смог его количественно оценить и описать механизм, лежащий в основе этого явления — до сих пор.

По словам Чендлера, благодаря некоторой удаче и большой работе исследовательская группа под руководством штата Пенсильвания обнаружила, как и почему происходит перелив водорода, и провела первые количественные измерения этого процесса. Свои выводы они опубликовали в журнале Nature Catalysis.

По словам Чендлера, эта работа дает возможность лучше понять и разработать активацию и хранение водорода. Обычное хранение водорода требует значительного количества энергии, чтобы поддерживать водород достаточно холодным, чтобы он оставался жидким. Однако с помощью своей уникальной системы золото на титане исследовательская группа продемонстрировала, что они могут эффективно, действенно и обратимо расщеплять молекулы водорода на атомы водорода — процесс, необходимый для того, чтобы вызвать перелив водорода — при более высоких температурах, требующих меньше энергии.

«Теперь мы можем объяснить, как работает перелив водорода, почему он работает и что его движет», — сказал Чендлер, автор статьи. «И впервые мы смогли это измерить — это ключевой момент. Определив его количественно, вы сможете увидеть, как он меняется, понять, как его контролировать, и понять, как применить его к новым проблемам».

В системах с переливом водорода газообразный водород реагирует на расщепление на эквиваленты атомов водорода — протон и электрон, но в несколько ином расположении, чем их типичное расположение. В этой системе протоны прилипают к поверхности материала, а электроны попадают в приповерхностную зону проводимости полупроводникового оксида. По словам Чендлера, исследователи заявили, что надеются научиться использовать их для тестирования более продвинутых химических приложений, таких как преобразование атомов для использования в качестве чистого топлива и хранения водорода.

«Полупроводниковый элемент важен, потому что у эквивалентов атомов водорода протоны находятся на поверхности, а электроны — под поверхностью — они по-прежнему расположены близко друг к другу, но разделены проводящей поверхностью», — сказал Чандлер, пояснив, что такое небольшое разделение позволяет избежать больших затрат. энергетический штраф, обычно необходимый для разделения зарядов. «Практически для всех адсорбционных систем необходима благоприятная адсорбция тепла, чтобы преодолеть потери энергии, необходимые для превращения молекулы газа в твердое вещество посредством адсорбции. Это энтропийно неблагоприятно».

Энтропия представляет собой недоступную тепловую энергию, необходимую для продвижения процесса. Другими словами, энтропия — это распределение энергии по подсостояниям, подобно тому, как лед тает в воду, когда энергия для поддержания молекул в твердом состоянии недоступна. Энергии требуют балансировки, сказал Чендлер, и измерить вклад энтропии в баланс в этих системах практически невозможно.