Jay Winkler och hans team zappar metaller för att skapa nya solbränslekatalysatorer. Upphovsman:California Institute of Technology
I sökandet efter alternativ till oljebaserade bränslen, en av de mest lovande, och utmanande, strategier innebär splittring av vatten. Forskare har i årtionden gjort framsteg med att använda solljus för att dela vattenmolekyler i syre och väte, varvid den resulterande vätgasen kan användas som lagrat bränsle. Men metoden är fortfarande för dyr. Material som kallas katalysatorer behövs för att köra reaktionen, och den katalysator som fungerar bäst, platina, är sällsynt och dyr. Jakten pågår efter bra katalysatorer gjorda av rikligt med jord, billiga material.
"Folk pratade om att dela vatten tillbaka när jag var doktorand, under energikrisen i slutet av 1970 -talet. Faktiskt, du kan hitta papper i litteraturen där människor pratar om detta så långt tillbaka som i början av 1900 -talet, "säger Jay Winkler (doktorand '84), en fakultetsassistent och föreläsare i kemi vid Caltech och medlem i Beckman Institute. "Platina fungerar mycket bra som katalysator, men det är inte ett praktiskt material för storskalig energiproduktion eftersom det inte finns tillräckligt med det. Vissa andra material driver reaktionen bra men är också mycket sällsynta. "
Winkler och hans kollegor, ledd av Harry Gray, Arnold O. Beckman professor i kemi och tidigare doktorandrådgivare för Winkler, har haft fullt upp med att utveckla nya typer av katalysatorer baserade på miljövänliga material som järn och nickel. Deras mål är inte bara att hitta nya katalysatorer gjorda av jordmånga material, men också för att hitta sätt att få dessa katalysatorer att driva vattensplittreaktionen så effektivt som möjligt. Om du gör det skulle den totala kostnaden för reaktionen minska tillräckligt för att konkurrera med naturresurser som olja. Denna forskning är associerad med Center for Chemical Innovation in Solar Fuels (CCI Solar), ett National Science Foundation-center baserat på Caltech.
Winklers fokus ligger på att zappa metaller med lasrar. För ungefär fem år sedan, han och Astrid Müller, sedan en Caltech -personalvetare och nu professor vid University of Rochester, finjusterade en teknik där en högenergipulserad laser fokuseras på en metall i en vätska (t.ex. järn i vatten), genererar en mycket hög temperatur och tryck. Processen skapar en bubbla som kollapsar och expanderar igen några gånger inom millisekunder, frigör järnbaserade nanopartiklar, vilka är kandidaterna för att katalysera vattensplittningsreaktionen.
"Laserreaktionerna skapar en stark ljusblixt och en hög smäll, "säger Winkler." Vi var tvungna att installera en ljudisolerad låda runt den eftersom du kunde höra den ute i hallen. "
En laserbaserad metod för att generera nya solbränslekatalysatorer visas i denna röntgenradiografi-video, som har bromsats. Bilderna spelas in med en bred bredbandsröntgenstråle orienterad parallellt med målet och detekteras med hjälp av en höghastighets röntgenkamera. Efter att en 10-nanosekund laserpuls träffat ett silvermetallmål, en bubbla ses expanderande, kontrakterar och sedan expanderar igen. Fasta nanopartiklar som utgör kandidat för solbränslekatalysatorer sipprar ut i slutet. Upphovsman:Karlsruhe Institute of Technology, Anton Plech (Källa:Ibrahimkutty et al. Sci. Rep. 2015)
Klyvvatten är, i allmänhet, en lite enkel reaktion. Tanken är att använda solljusets energi för att dela två vattenmolekyler (2H 2 O) till syre (O 2 ) och väte (2H 2 ) molekyler. Syret kan släppas ut i atmosfären och vätet lagras som bränsle. Kör reaktionen bakåt, med hjälp av en bränslecell, genererar el.
"Att köra denna reaktion kräver energi, och sedan lagrar vi den energin. Vi vill hitta katalysatorer som gör syre snabbare och med så lite extra energi som möjligt. "
Winker och hans team fokuserar på den första halvan av vattensplittrande reaktion; skapar syret. I deras experiment, som en stand-in för solljus, de använder en elektrod som drivs av elektricitet. När de väl har gjort sina potentiella katalysatorer med lasertekniken, de täcker elektroden med katalysatorerna och kör reaktionen, för att se hur snabbt syre genereras.
Än så länge, forskarna har några bra kandidater, såsom en typ av järnbaserat nanopartikelmaterial som kallas ett järnskiktigt nanoskikt av nickeljärn. Teamet har försökt ta reda på exakt varför denna katalysator fungerar bra. I en uppsättning experiment, de utvecklade en elektrokemisk metod för att fånga och karakterisera molekylära tillstånd som genereras under reaktionen för att ta reda på vilka som är nyckeln till dess effektivitet. De fann att en mycket oxiderad järnplats på kanten av ett nanoskikt var ett väsentligt element i katalysen. Detta jobb, som leddes av Harvard Universitys Bryan Hunter medan han var doktorand vid Caltech i Gray Lab (Ph.D. '17), kommer att hjälpa andra forskare att justera katalysatorn och göra den ännu bättre.
I framtiden, laget kommer att fortsätta att utforska nya katalysatorer för att tillverka vätebränsle. Till exempel, de experimenterar med andra vätskor än vatten för att använda i sina laserzappningsförsök.
"Vätebränslen används inte i stor utsträckning nu, "säger Winkler." Men jag tror att vi kommer till en punkt där vi kan göra dessa bränslen mer effektivt - och då blir de mer konkurrenskraftiga ekonomiskt. "
