Исследователи из Принстонского и Райсского университетов объединили железо, медь и простой светодиод, чтобы продемонстрировать недорогую технику, которая может стать ключом к распределению водорода — топлива, которое содержит большое количество энергии и не загрязняет атмосферу углеродом. Исследователи использовали эксперименты и передовые вычисления для разработки метода с использованием нанотехнологий для выделения водорода из жидкого аммиака , процесса, который до сих пор был дорогим и энергоемким. В статье, опубликованной 24 ноября в журнале Science , исследователи описывают, как они использовали свет стандартного светодиода для расщепления аммиака без необходимости высоких температур или дорогих элементов, которые обычно требуются для такой химии. Этот метод преодолевает серьезное препятствие на пути к реализации потенциала водорода как чистого топлива с низким уровнем выбросов, которое может помочь удовлетворить потребности в энергии без ухудшения изменения климата.
«Мы много слышим о том, что водород является абсолютно чистым топливом, если бы только он был менее дорогим и простым в хранении и извлечении для использования», — сказала Наоми Халас, профессор Университета Райса и один из основных авторов исследования. «Этот результат демонстрирует, что мы быстро движемся к этой цели, предлагая новый, оптимизированный способ выделения водорода по требованию из практического носителя для хранения водорода с использованием земных материалов и технологический прорыв в твердотельном освещении». Водород предлагает множество преимуществ в качестве экологически чистого топлива, включая высокую плотность энергии и отсутствие выбросов углекислого газа. Он также повсеместно используется в промышленности, например, для производства удобрений, продуктов питания и металлов. Но чистый водород дорого сжимать для транспортировки и его трудно хранить в течение длительного времени. В последние годы ученые стремились использовать промежуточные химические вещества для транспортировки и хранения водорода. Одним из наиболее перспективных носителей водорода является аммиак (NH 3 ), состоящий из трех атомов водорода и одного атома азота . В отличие от чистого газообразного водорода (H 2 ), жидкий аммиак , хотя и опасен, имеет существующие системы безопасной транспортировки и хранения. «Это открытие прокладывает путь к устойчивому и дешевому водороду, который можно было бы производить локально, а не на крупных централизованных заводах», — сказал Питер Нордландер , профессор Райса и еще один главный автор. Одна из постоянных проблем для защитников заключается в том, что расщепление аммиака на водород и азот часто требует высоких температур для запуска реакции. Для систем преобразования может потребоваться температура выше 400 градусов по Цельсию (732 градуса по Фаренгейту). Это требует много энергии для преобразования аммиака, а также специального оборудования для проведения операции. Исследователи во главе с Халасом и Нордландером из Университета Райса, а также Эмили Картер, профессор Герхарда Р. Андлингера в области энергетики и окружающей среды и профессор машиностроения и аэрокосмической техники, а также прикладной и вычислительной математики в Принстоне, хотели преобразовать процесс расщепления, чтобы сделать аммиак более устойчивый и экономически выгодный носитель для водородного топлива. Как показывает недавний обзор Американского химического общества, использование аммиака в качестве носителя водорода вызвало значительный исследовательский интерес из-за его потенциала для развития водородной экономики . Промышленные предприятия часто расщепляют аммиак при высоких температурах, используя в качестве катализаторов широкий спектр материалов, то есть материалов, которые ускоряют химическую реакцию, не изменяясь в результате реакции. Предыдущие исследования показали, что можно понизить температуру реакции с помощью рутениевого катализатора. Но рутений, металл платиновой группы, стоит дорого. Исследователи полагали, что они могут использовать нанотехнологии, чтобы вместо них использовать более дешевые элементы, такие как медь и железо, в качестве катализатора. Исследователи также хотели снизить затраты энергии на крекинг аммиака. Современные методы используют много тепла для разрыва химических связей, удерживающих молекулы аммиака вместе. Исследователи полагали, что они могут использовать свет, чтобы разорвать химические связи, как скальпель, а не использовать тепло, чтобы разрушить их, как молоток. Для этого они обратились к нанотехнологиям, а также к гораздо более дешевому катализатору, содержащему железо и медь. Сочетание крошечных металлических структур и света в нанотехнологии представляет собой относительно новую область под названием плазмоника. Направляя свет на структуры размером меньше одной длины световой волны, инженеры могут манипулировать световыми волнами необычными и специфическими способами. В этом случае команда Райса хотела использовать этот искусственный свет для возбуждения электронов в металлических наночастицах, чтобы разделить аммиак на его водород и азот без необходимости интенсивного нагрева. Поскольку для плазмоники требуются определенные типы металлов, такие как медь, серебро или золото, исследователи добавили железо к меди, прежде чем создавать крошечные структуры. После завершения медные структуры ведут себя как антенны, манипулируя светом светодиода для возбуждения электронов до более высоких энергий, в то время как атомы железа, встроенные в медь, действуют как катализаторы для ускорения реакции, осуществляемой возбужденными электронами. Исследователи создали структуры и провели эксперименты в лабораториях Райса. Они смогли настроить многие параметры реакции, такие как давление, интенсивность света и длину волны света. Но калибровка точных параметров была сложной задачей. Чтобы выяснить, как эти переменные повлияли на реакцию, исследователи работали с главным автором Картером, который специализируется на подробных исследованиях реакций на молекулярном уровне. Используя высокопроизводительную вычислительную систему Принстона, терамасштабную инфраструктуру для новаторских исследований в области инженерии и науки (TIGRESS), Картер и ее научный сотрудник Цзюньвэй Лукас Бао прогнали реакции через свой специализированный симулятор квантовой механики, уникально способный изучать катализ возбужденных электронов. «С помощью моделирования квантовой механики мы можем определить этапы реакции, ограничивающие скорость», — сказал Картер, который также занимает должности в Принстонском центре энергетики и окружающей среды Андлингера в области прикладной и вычислительной математики, а также в Принстонской лаборатории физики плазмы. «Это узкие места». Усовершенствовав процесс и используя знания Картер и ее команды в атомном масштабе, команда Райс смогла постоянно извлекать водород из аммиака, используя только свет от энергосберегающих светодиодов при комнатной температуре без дополнительного нагрева. Исследователи говорят, что процесс масштабируется. В дальнейших исследованиях они планируют изучить другие возможные катализаторы с целью повышения эффективности процесса и снижения стоимости. Картер, который также в настоящее время возглавляет комитет Национальной академии по утилизации углерода, сказал, что важным следующим шагом будет снижение затрат и загрязнения углеродом, связанных с созданием аммиака, который начинает транспортный цикл. В настоящее время большая часть аммиака создается при высоких температурах и давлениях с использованием ископаемого топлива. Процесс является энергоемким и загрязняющим окружающую среду. Картер сказал, что многие исследователи также работают над разработкой экологически чистых технологий производства аммиака. «Водород повсеместно используется в промышленности и будет все чаще использоваться в качестве топлива, поскольку мир стремится обезуглероживать свои источники энергии», — сказала она. «Однако сегодня он в основном производится из природного газа неэкологичным образом, создавая выбросы углекислого газа, и его трудно транспортировать и хранить. Водород необходимо производить и транспортировать экологически безопасным образом там, где он необходим. например, путем электролитического восстановления азота с использованием обезуглероженного электричества его можно было бы транспортировать, хранить и, возможно, использовать в качестве источника зеленого водорода по требованию с использованием железо-медных фотокатализаторов со светодиодной подсветкой, о которых здесь сообщается».