Одна из причин, по которой мы не можем хранить летнее солнце в бутылках и экономить солнечную энергию на дождливые дни, заключается в том, что у нас нет эффективного способа ее хранения. Природа хранит энергию в химических связях, например, когда растения фотосинтезируют нашу пищу. Исследователи пытаются разработать катализаторы на основе недорогих металлов для хранения энергии, как это делает природа.
Химические связи в газообразном водороде, например, могут питать топливные элементы, двигатели внутреннего сгорания или генераторы. Используя природный катализатор из бактерий для вдохновения, исследователи разработали самый быстрый синтетический катализатор для производства водорода, производящий 45 миллионов молекул в секунду. Вместо дорогого металла в этом катализаторе используется недорогой, широко распространенный никель.
Хотя для работы катализатора требуется больше энергии, чем для обычного платинового катализатора, понимание, полученное в результате этого результата, может в конечном итоге помочь сделать водородное топливо экологически безопасным и доступным способом, сообщают исследователи в химическом журнале Angewandte Chemie International Edition..
«Следующее, над чем мы будем работать, - это сделать его более эффективным», - сказала химик Молли О'Хаган из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики. «Нам по-прежнему нужно снабжать его слишком большим количеством электроэнергии для производства водорода».
Команда PNNL уже несколько лет занимается разработкой катализатора на основе никеля по образцу природного фермента, называемого гидрогеназой. Еще в 2011 году, работая в Центре молекулярного электрокатализа, исследовательском центре DOE Energy Frontier, они создали синтетический катализатор, который был в 10 раз быстрее природного. Тот естественный работал со скоростью 100 000 молекул водорода в секунду.
В процессе разработки катализатора ученые тестировали свои катализаторы в реакциях, комбинируя катализатор и кислоты в разных средах. Одна вещь, которую они заметили, заключалась в том, что синтетический катализатор производил водород быстрее в вязкой жидкости, чем в свободно текущей жидкости.
«Мы использовали эту среду, похожую на сироп для блинов, и получили очень высокие показатели», - сказал О'Хаган. «У катализатора есть руки, которые перемещаются, чтобы расположить кусочки химической реакции. Обычно они болтаются, как сумасшедшие, и кусочки не всегда попадают в нужную цель. катализатор вообще не может склеить кусочки. Мы подумали, что этот густой сироп может замедлить шлепки, позволяя рукам более эффективно складывать кусочки."
Чтобы проверить эту гипотезу, команда разработала катализатор с более длинными плечами, которые будут тянуть и замедлять падение. Они протестировали разные длины рукавов и обнаружили, что чем длиннее рукава, тем быстрее катализатор производит молекулы водорода.
Они также измерили, насколько быстро вращались руки. Чем длиннее руки, тем медленнее движение, что позволяет им приписывать более быстрое производство водорода более медленным движениям рук. Подобно взволнованным детям, играющим в мяч, немного успокоившись, вы сможете чаще попадать в цель.
«Эта работа дала нам некоторое представление о движении катализатора и о том, как контролировать это движение, чтобы сделать его более эффективным», - сказал О'Хаган.