Het gebruik van waterstof voor energieproductie is niets nieuws. Maar met zijn onderzoek Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE) Ph.D. kandidaat Ajay Pisat hoopt zijn volledige potentieel als primaire, mainstream energieopslagmedium door de efficiëntie van waterstofproductie te maximaliseren door middel van fotokatalyse.

Hoewel er veel onderzoek wordt gedaan naar fotokatalyse, Het werk van Pisat op nanoniveau is een belangrijke eerste stap die leidt tot onderzoek op grotere schaal, omdat het zich richt op het laagst mogelijke niveau, het structurele niveau. Hij brengt zijn tijd door in het laboratorium om de oppervlaktemorfologie van oxideverbindingen te ontwikkelen, het optimaliseren van hun oppervlakten voor waterstofontwikkeling die, beurtelings, verhoogt de efficiëntie van waterstofproductie door fotokatalyse.

Als Pisat de oppervlaktestructuur van de oxideverbinding wetenschappelijk kan construeren, gebruikt zijn laboratorium strontiumtitanaat, die een vergelijkbare structuur heeft als veel andere oxideverbindingen - voor maximale efficiëntie, dan kan hij vergelijkbare verbindingen maken die zonlicht beter absorberen. Onderzoekers zouden deze verbindingen dan op grotere schaal kunnen gebruiken, op volledige fotokatalytische systemen.

"We zijn van mening dat de structuur van het materiaal essentieel is voor het proces, "zegt Pisat. "Maar de chemie van het materiaal is essentieel voor de daadwerkelijke functionaliteit."

De wetenschap

fotokatalyse, in het algemeen, gebruikt licht in combinatie met katalysatormaterialen om chemische reacties mogelijk te maken of te versnellen. De specifieke reactie waarbij water in waterstof en zuurstof wordt gesplitst, wordt fotokatalytische watersplitsing genoemd, of fotokatalytische waterstofproductie. De geproduceerde waterstof kan vervolgens worden gebruikt om on-site brandstofcellen of generatoren aan te drijven die onafhankelijk zijn van op infrastructuur gebaseerde elektriciteitsnetten, met andere woorden, een consistente stroombron op plaatsen waar die elektriciteitsnetten niet komen.

Twee extra voordelen van voortdurend onderzoek naar waterstofenergie zijn de reinheid en hernieuwbaarheid van de resulterende waterstofenergie. In tegenstelling tot de koolstofemissies en broeikasgassen die het gevolg zijn van fossiele brandstoffen, waterstofenergie levert geen schadelijke bijproducten op.

Aanvullend, het zonlicht en water dat nodig is voor fotokatalytische waterstofproductie is bijna oneindig. Samen met zonlicht en water, fotokatalyse vereist een katalysator. Een katalysator is een materiaal dat de snelheid van een chemische reactie verhoogt. In het fotokatalytische proces, een katalysator (meestal een oxideverbinding) wordt ondergedompeld in water. Wanneer het water wordt gebombardeerd met zonlicht, de katalysator veroorzaakt een chemische reactie op de punten waar de katalysatorverbinding in contact komt met het water. Het is deze reactie die de watermoleculen uit elkaar splitst.

Hoewel dit een vrij eenvoudig proces lijkt, onderzoekers zijn een paar wegversperringen tegengekomen die voorkomen dat fotokatalyse het maximale waterstofpotentieel produceert. Een daarvan is de lichtabsorptie van de oxideverbindingskatalysatoren. Daten, wetenschappers hebben geworsteld om een ​​geschikte verbinding te vinden die het zichtbare bereik van het zonnespectrum kan absorberen, die de energie bevat die nodig is voor fotokatalyse. De meeste verbindingen zijn zeer goed in het absorberen van UV-stralen, maar die stralen maken slechts 5% uit van het hele lichtspectrum, en sommige verbindingen absorberen infraroodstraling, die niet voldoende energie heeft voor fotokatalyse.

Een andere uitdaging is de hoeveelheid waterstof die door een katalysator wordt geproduceerd. Waterstofproductie is direct gerelateerd aan het oppervlak van de katalysator.

Zoals Pisat het uitlegt:stel je voor dat je mobiele telefoon ondergedompeld is in een bak met water. Overal waar het water de buitenkant van je telefoon raakt, zullen chemische reacties (bijvoorbeeld waterstofproductie) plaatsvinden. Nu beeld je je mobiel in twee stukken snijden.

"Nu hebben we nog twee oppervlakken blootgelegd, "zegt Pisat. "En als we dit blijven doen, we gaan gewoon steeds meer oppervlak blootstellen voor dezelfde hoeveelheid massa." Omdat water een groter deel van het oppervlak van de telefoon in contact brengt, er wordt meer waterstof geproduceerd.

Probeer je nu iets voor te stellen dat kleiner is dan een telefoon. Kan zijn, bijvoorbeeld, een kopje vol korrels zo klein dat ze op poeder lijken. Stel je voor dat je slechts één van die pellets oppakt. Het is bijna alsof je een zandkorrel oppakt, alleen kleiner. Hier doet Pisat zijn werk:het nano-niveau.

Fotokatalytische reacties bestaan ​​eigenlijk uit twee afzonderlijke reacties:waterstofontwikkeling en de tegenreactie. Verschillende oppervlaktestructuren hebben de neiging om de ene reactie boven de andere te begunstigen, het verminderen van de efficiëntie van de totale reactie. Het werk van Pisat op nanoniveau gaat over het balanceren van de gebieden van die individuele reacties met behulp van goedkope thermische behandelingen, zodat de algehele reactie zo efficiënt mogelijk kan verlopen.

De inspiratie

Hoewel zijn onderzoek uniek en verbazingwekkend gefocust is, Pisat ziet zijn werk als slechts een klein stukje van een veel groter proces. Dat grotere proces kan toepasselijk worden omschreven als een zesbaans snelweg, elke baan raast naar dezelfde finishlijn. Toevallig vond Pisat zijn baan als student in India.

Als inwoner van Mumbai, hij groeide op in een wereld die van invloed was op zijn beslissing om het onderzoek dat hij heeft voort te zetten. "In mijn eigen leven, " hij zegt, "Ik heb moeten zien dat het klimaat niet hetzelfde is. Ik heb de kwaliteit van de lucht tijdens mijn eigen jeugd zien verslechteren." Elke vijf jaar, hij deelt, hij kon de kwaliteit van de lucht om hem heen zien en voelen zakken.

Dus toen hij naar de universiteit ging, hij was heel scherp over de major die hij koos:materiaalkunde. Door zijn studie, raakte hij betrokken bij onderzoek naar schone, hernieuwbare waterstofenergie door middel van fotokatalyse en de materiaaltechniek van oxideverbindingen.

Bij het nastreven van zijn Ph.D. bij Carnegie Mellon, hij koos een programma waar hij met niet één kon studeren, maar drie professoren die onderzoek doen op nanoniveau naar oxideverbindingen die worden gebruikt in fotokatalyse:Gregory Rohrer, Paul Salvador, en Mohammed-islam. Momenteel, hij wordt mede geadviseerd door de hoogleraren Rohrer en Salvador.

Met een brede kijk op zijn onderzoek en dat van anderen, Pisat waardeert het werk dat nog gedaan moet worden.

"Het kan niet meteen worden gebruikt omdat al het andere zo goedkoop is, " hij zegt, toen hem werd gevraagd naar de praktische toekomst van waterstof. "Steenkool is gewoon zo goedkoop. Dus concurreren met dat soort technologieën zal enige tijd duren."

Terwijl, zoals hij zegt, Het zal enige tijd duren, Pisat heeft grote stappen gemaakt. "Ik boek zeker veel vooruitgang, " hij zegt, in termen van de resultaten die hij in het lab ziet. "Zodra deze techniek [optimalisatie van de oppervlaktemorfologie] is geperfectioneerd, " hij voegt toe, "mensen gaan proberen het te gebruiken om hele fotokatalytische systemen te ontwerpen om de waterstofproductie volledig op zonne-energie te laten draaien. Misschien dan, na vijf of tien jaar, we kunnen ze zien concurreren met gas."