Att använda väte för energiproduktion är inget nytt. Men med sin forskning, Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE) Ph.D. kandidaten Ajay Pisat hoppas kunna frigöra sin fulla potential som primär, mainstream energilagringsmedium genom att maximera effektiviteten av väteproduktion genom fotokatalys.

Även om det pågår mycket forskning med fotokatalys, Pisats arbete på nanonivå är ett viktigt första steg som leder in i större skala, eftersom den fokuserar på lägsta möjliga nivå, den strukturella nivån. Han tillbringar sin tid i labbet med att konstruera ytmorfologin hos oxidföreningar, optimera sina ytareor för väteutveckling som, i tur och ordning, ökar effektiviteten av väteproduktion genom fotokatalys.

Om Pisat är i stånd att vetenskapligt konstruera ytstrukturen hos oxidföreningen använder hans labb — strontiumtitanat, som har en liknande struktur som många andra oxidföreningar - för maximal effektivitet, då kan han konstruera liknande föreningar som absorberar solljus bättre. Forskare kan sedan använda dessa föreningar i större skala, på hela fotokatalytiska system.

"Vi känner att det är materialets struktur som är avgörande för processen, " säger Pisat. "Men kemin i materialet är avgörande för den faktiska funktionaliteten."

Vetenskapen

Fotokatalys, i allmänhet, använder ljus i kombination med katalysatormaterial för att möjliggöra eller påskynda kemiska reaktioner. Den speciella reaktionen som involverar delning av vatten till väte och syre kallas fotokatalytisk vattenklyvning, eller fotokatalytisk väteproduktion. Vätgasen som produceras kan sedan användas för att driva på plats bränsleceller eller generatorer som är oberoende av infrastrukturbaserade elnät – med andra ord, en konsekvent strömkälla på platser där dessa elnät inte når.

Två ytterligare fördelar med fortsatt forskning om vätgas är renheten och förnybarheten hos den resulterande vätgaskraften. Till skillnad från koldioxidutsläpp och växthusgaser som uppstår från fossila bränslen, vätekraft ger inte skadliga biprodukter.

Dessutom, solljuset och vattnet som krävs för fotokatalytisk väteproduktion är nästan oändliga. Tillsammans med solljus och vatten, fotokatalys kräver en katalysator. En katalysator är ett material som ökar hastigheten för en kemisk reaktion. I den fotokatalytiska processen, en katalysator (oftast en oxidförening) är nedsänkt i vatten. När vattnet bombarderas med solljus, Katalysatorn orsakar en kemisk reaktion vid de punkter där katalysatorföreningen kommer i kontakt med vattnet. Det är denna reaktion som delar isär vattenmolekylerna.

Även om detta kan verka som en ganska enkel process, forskare har stött på några vägspärrar som hindrar fotokatalys från att producera sin maximala potential av väte. En är ljusabsorptionen av oxidföreningskatalysatorerna. Hittills, forskare har kämpat för att hitta en lämplig förening som kan absorbera det synliga området av solspektrumet, som håller den energi som behövs för fotokatalys. De flesta föreningar är mycket bra på att absorbera UV-strålar, men dessa strålar utgör bara 5% av hela ljusspektrumet, och vissa föreningar absorberar infraröd strålning, som inte har tillräcklig energi för fotokatalys.

En annan utmaning är mängden väte som produceras av en katalysator. Väteproduktionen är direkt relaterad till katalysatorns yta.

Så som Pisat förklarar det:föreställ dig din mobiltelefon nedsänkt i en balja med vatten. Överallt där vattnet träffar utsidan av din telefon är det där kemiska reaktioner (t.ex. väteproduktion) kommer att inträffa. Bild nu skära din mobiltelefon i två delar.

"Nu har vi exponerat ytterligare två ytor, " säger Pisat. "Och om vi fortsätter att göra det här, vi kommer bara att exponera mer och mer yta för samma mängd massa." Eftersom vatten kommer i kontakt med en större del av telefonens yta, mer väte kommer att produceras.

Försök nu att föreställa dig något mindre än en telefon. Kanske, till exempel, en kopp full med pellets så små att de ser ut som pulver. Föreställ dig att bara plocka upp en av dessa pellets. Det är nästan som att plocka upp ett sandkorn, bara mindre. Det är här Pisat gör sitt arbete:nanonivån.

Fotokatalytiska reaktioner består faktiskt av två individuella reaktioner:väteutveckling och dess motreaktion. Olika ytstrukturer tenderar att gynna en reaktion framför den andra, minska effektiviteten av den totala reaktionen. Pisats arbete på nanonivå handlar om att balansera områdena för dessa individuella reaktioner med hjälp av billiga termiska behandlingar så att den övergripande reaktionen kan fortgå så effektivt som möjligt.

Inspirationen

Även om hans forskning är unik och otroligt fokuserad, Pisat förstår sitt arbete som bara en liten del av en mycket större process. Den större processen kan lämpligen beskrivas som en sexfilig motorväg, varje körfält lutar mot samma mållinje. Det råkar vara så att Pisat hittade sin bana som student i Indien.

Som infödd i Mumbai, han växte upp i en värld som påverkade hans beslut att fortsätta den forskning han har. "I min egen livstid, " han säger, "Jag fick se att klimatet inte är detsamma. Jag har sett luftkvaliteten försämras under hela min egen barndom." Vart femte år, han delar, han kunde se och känna hur luften sänkte sig omkring honom.

Så när han började på college, han var mycket påpekad om huvudämnet han valde:materialteknik. Genom sina studier, han blev involverad i forskning om ren, förnybar vätekraft genom fotokatalys och materialutveckling av oxidföreningar.

När han bedriver sin doktorsexamen. på Carnegie Mellon, han valde ett program där han inte kunde studera med en enda, men tre professorer som bedriver forskning på nanonivå på oxidföreningar som används i fotokatalys:Gregory Rohrer, Paul Salvador, och Mohammad Islam. För närvarande, han samråds av professorerna Rohrer och Salvador.

Med en bred syn på sin forskning och andras, Pisat uppskattar det arbete som fortfarande måste göras.

"Det kanske inte används direkt eftersom allt annat är så billigt, " han säger, på frågan om vätgaskraftens praktiska framtid. "Kol är bara så billigt. Så att konkurrera med den typen av teknik kommer att ta lite tid."

Medan, som han säger, det kommer att ta lite tid, Pisat har tagit stora framsteg. "Jag gör definitivt stora framsteg, " han säger, när det gäller resultaten han ser i labbet. "När den här tekniken [optimering av ytmorfologi] är fulländad, " han lägger till, "Folk kommer att försöka använda den för att konstruera hela fotokatalytiska system för att göra väteproduktionen helt driven av solenergi. Kanske då, efter fem eller tio år, vi kan se dem konkurrera med gas."