Mempelajari trotoar dengan cara untuk produksi energi bersih yang lebih efisien

Ketika pencarian global untuk solusi energi berkelanjutan meningkat, divisi air tetap menjadi cara yang menjanjikan untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen yang bersih. Tetapi proses pembagian air dan air oksigen secara inheren tidak efisien, yang membutuhkan lebih banyak energi dari prediksi yang diprediksi secara teoritis.

Sekarang, bahan kimia Universitas Northwest telah menemukan penjelasan tentang tingkat molekuler untuk perbedaan ini. Pada saat -saat penting sebelum melepaskan atom oksigen, molekul air melakukan trik yang tidak terduga: mereka berbalik.

Setelah mengamati molekul air, peralatan mengukur biaya energi yang tepat yang terkait dengan langkah kritis itu. Menemukan bahwa hukum akrobatik adalah wajib pajak yang penting Divisi AirHambatan efisiensi. Tapi, dalam penemuan lain, mereka menemukan bahwa peningkatan pH air mengurangi itu biaya energi dan dengan demikian berkontribusi untuk membuat proses lebih efisien.

Pengetahuan baru ini dapat membantu para peneliti menemukan cara baru untuk mengurangi hambatan energi untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen bersih dan menghasilkan oksigen yang bernapas selama misi masa depan ke Mars.

Studi ini diterbitkan Di koran Komunikasi Alam.

“Ketika Anda membagi air, dua reaksi setengah terjadi,” kata Franz Geiger dari Northwestern, yang mengarahkan penelitian ini. “Reaksi rata -rata menghasilkan hidrogen dan yang lain menghasilkan oksigen. Reaksi rata -rata yang menghasilkan oksigen benar -benar sulit dilakukan karena semuanya harus diselaraskan dengan benar. Akhirnya mengambil lebih banyak energi daripada yang secara teoritis dihitung. Jika itu membuat matematika, itu tidak memerlukan 1,23 volt. Tetapi, pada kenyataannya, diperlukan lebih seperti 1,6 volt yang tidak ada volt yang tidak ada. berlaku untuk mereka yang akan ditaburkan untuk biaya biaya tambahan dan itu belum menjadi pemisahan.

“Kami berpendapat bahwa energi yang diperlukan untuk mengubah air adalah pajak yang signifikan untuk membutuhkan energi tambahan ini. Saat merancang katalis baru yang memfasilitasi air terjun, kami dapat membuat air membelah lebih praktis dan menguntungkan.”

Geiger adalah profesor kimia Charles E. dan Emma H. ​​Morrison di Weinberg College of Arts and Sciences of Northwestern dan anggota Institut Internasional Nanoteknologi dan Institut Energi dan Keberlanjutan Paula M. Tronens. Penulis utama penelitian ini adalah Raiden Speelman dan penulis kedua adalah Ezra J. Marker, yang merupakan anggota Laboratorium Geiger. Rekan penulis lainnya termasuk Alex Martinson dari Laboratorium Nasional Argonne dan Mavis Boamah, Jacob Kupferberg, Mark Engelhard, Yatong Zhao dan Kevin Rosso, semua Laboratorium Nasional Barat Laut Pasifik.

Janji dan tantangan divisi air

Ketika iklim terus memanas, para ilmuwan semakin tertarik pada pembagian air sebagai cara menghasilkan energi hidrogen bersih sebagai alternatif bahan bakar fosil. Untuk melakukan proses, para ilmuwan menambahkan air ke elektroda dan kemudian menerapkan tegangan. Listrik ini membagi molekul air menjadi dua komponen, hidrogen dan oksigen, tanpa tidak diinginkan oleh produk. Dari sana, para peneliti dapat mengumpulkan hidrogen untuk bahan bakar atau menggunakan kembali hidrogen dan oksigen dalam sel bahan bakar konsumsi energi rendah.

Sementara divisi air dapat memainkan peran penting dalam ekonomi energi bersih di masa depan, menghadapi beberapa tantangan. Masalah utama adalah bahwa bagian oksigen dari reaksi, yang disebut reaksi evolusi oksigen (REA), bisa sulit dan tidak efisien. Meskipun lebih efisien ketika iridium digunakan sebagai elektroda, Geiger mengatakan para ilmuwan membutuhkan alternatif yang lebih terjangkau.

“Iridium hanya datang ke bumi dampak meteorik, seperti anomali Iridium yang terkenal di batas paleogen Cretaceous, jadi ada jumlah terbatas,” katanya. “Ini sangat mahal dan tentu saja tidak akan membantu menyelesaikan krisis energi dalam jangka pendek. Para peneliti mencari alternatif, seperti nikel dan besi, dan kami berharap dapat menemukan cara untuk membuat bahan -bahan ini sama efisiennya, jika tidak lebih efisien, daripada IRIDE.”

‘Optical setara dengan headphone yang membatalkan kebisingan’

Dalam studi baru, Geiger dan timnya fokus pada hematit, oksida besi yang ekonomi dan melimpah. Meskipun hematit adalah bahan yang menjanjikan untuk melakukan daerah tersebut, ia menderita inefisiensi, serta logam ekonomi lainnya. Untuk mengeksplorasi alasan mengapa para peneliti menerapkan teknik canggih baru berdasarkan cahaya yang disebut generasi harmonik kedua dalam fase (PR-SHG).

Sebelumnya dikembangkan di laboratorium Geiger, PR-SHG memungkinkan para peneliti untuk mengamati bagaimana molekul air berinteraksi dengan elektroda logam secara real time. Untuk melakukan percobaan, tim pertama -tama menempatkan elektroda hematit dalam wadah khusus dengan air. Kemudian, laser bersinar pada permukaan elektroda dan mengukur intensitas cahaya di tengah panjang gelombang. Menggunakan beberapa komponen optik, termasuk lensa, cermin dan kristal, para peneliti memanipulasi sinar laser untuk mendapatkan informasi terperinci.

“Teknik kami adalah setara optik dengan headphone yang membatalkan kebisingan,” kata Geiger. “Kita pada dasarnya dapat mengontrol gangguan konstruktif dan dekonstruktif, fase foton, dan dari itu, kita dapat secara akurat mengukur berapa banyak molekul air yang menunjuk ke permukaan dan berapa banyak yang direorganisasi untuk menunjukkan keluar dari itu.”

Saat menganalisis amplitudo dan fase foton sinyal, tim Geiger menyimpulkan pengaturan molekul air. Sebelum menerapkan tegangan, para peneliti memperhatikan bahwa molekul air diposisikan secara acak. Namun, ketika mereka menerapkan tegangan yang tepat pada elektroda, mereka mengamati bahwa molekul air mengatur ulang diri mereka sendiri.

Kuantifikasi hambatan energi

Mengamati molekul air flip secara langsung memungkinkan para peneliti untuk mengukur berapa banyak molekul air yang diputar, serta energi yang terkait dengan flip itu. Mereka menemukan bahwa giliran terjadi segera sebelum mulai meraih, yang menunjukkan bahwa ini adalah langkah yang diperlukan dan tidak dapat dinegosiasikan dalam proses.

“Elektroda ini diisi secara negatif, sehingga molekul air ingin meletakkan atom hidrogennya secara positif dimuat ke permukaan elektroda,” kata Geiger. “Dalam posisi itu, transfer elektron, dari atom oksigen air ke situs aktif elektroda, diblokir. Kami menemukan bahwa ketika medan listrik Itu menjadi cukup kuat, membuat molekul berubah, jadi atom oksigen Arahkan ke permukaan elektroda. Kemudian, atom hidrogen keluar dari jalan, dan elektron dapat bergerak dari oksigen dari air ke elektroda. “

Dengan mengukur jumlah energi yang digunakan, Geiger dan peralatannya menemukan bahwa energi yang diperlukan untuk menyelaraskan molekul air bertepatan dengan energi yang memelihara air cair. Mereka juga menemukan bahwa tingkat pH air mempengaruhi orientasi molekul air. Sementara tingkat pH yang rendah membutuhkan lebih banyak energi untuk mengubah molekul air dalam penyelarasan yang benar, tingkat pH yang lebih tinggi, sebaliknya, membuat proses lebih efisien.

“Ketika Anda pergi di bawah tingkat pH sembilan, ada sedikit atau non -listrik yang diproduksi sama sekali,” kata Geiger. “Lalu, sementara molekul air masih berputar, pekerjaan yang terkait dengan hal itu sangat tinggi sehingga tidak terjadi elektrokimia.”

Kesimpulan yang dikonfirmasi

Temuan ini mengkonfirmasi studi sebelumnya tentang laboratorium Geiger, diterbitkan Di bulan Maret di koran Kemajuan ilmiah. Dalam studi itu, tim Geiger melihat OER dalam elektroda nikel. Para peneliti menyaksikan perilaku yang sama: molekul air berbalik segera sebelum reaksi dimulai.

“Sekarang kita tahu bahwa tegangan air terjadi baik di elektroda logam dan semikonduktor,” kata Geiger. “Jadi, ini mungkin perilaku yang lebih umum daripada yang kita pikirkan sebelumnya. Sekarang, kita dapat mengoptimalkan kondisi di mana air berputar lebih mudah.”

Meskipun nikel dan hematit adalah bahan ekonomi dan berlimpah, hematit, yang merupakan semikonduktor, memiliki aplikasi potensial seperti photoanode dan, oleh karena itu, oksidasi air matahari.

“Tujuan utama adalah untuk menjauh dari bahan bakar fosil menuju ekonomi hidrogen,” kata Geiger. “Gagasan data panjang adalah menggunakan material dengan sifat elektrokatalitik dan optik yang benar. Melalui radiasi matahari, ia menghasilkan situs aktif secara katalitik yang membuat elektrokimia. Masih perlu menerapkan arus untuk melakukan elektrokimia, tetapi foton bahan bakarnya memungkinkannya untuk menerapkan lebih sedikit tegangan. Dan tegangan terendah yang berlaku, bahan bakar menjadi bahan bakar.

“Studi kami menunjukkan bahwa permukaan katalis harus beradaptasi untuk memfasilitasi tegangan air sehingga transfer elektron dapat dimulai.”