Ingenieure haben ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von sauberem Wasserstoff entwickelt, das sich als unerlässlich erweisen könnte, um die Gesellschaft von fossilen Brennstoffen und deren Auswirkungen auf die Umwelt zu befreien.
Während Wasserstoff in der Umwelt allgegenwärtig ist, ist die Herstellung und Sammlung von molekularem Wasserstoff für Transport- und industrielle Zwecke teuer und kompliziert. Ebenso wichtig ist, dass Kohlenmonoxid, das für Menschen und Tiere giftig ist, ein Nebenprodukt der meisten gängigen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist.
Die Ingenieure von Duke haben im Labor mithilfe eines neuen katalytischen Ansatzes gezeigt, dass sie den Kohlenmonoxidgehalt in Gegenwart von Wasserstoff und den harmlosen Nebenprodukten von Kohlendioxid und Wasser auf nahezu Null senken können. Sie haben auch gezeigt, dass sie Wasserstoff durch Reformieren von Kraftstoff bei viel niedrigeren Temperaturen als bei herkömmlichen Methoden erzeugen können, was dies zu einer praktischeren Option macht.
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Katalysatoren sind Mittel, die zur Förderung chemischer Reaktionen zugesetzt werden. In diesem Fall handelte es sich bei den Katalysatoren um Nanopartikelkombinationen aus Gold und Eisenoxid (Rost), jedoch nicht im herkömmlichen Sinne. Gegenwärtige Methoden hängen von Goldnanopartikeln ab? Fähigkeit, den Prozess als einzigen Katalysator zu steuern, während die Duke-Forscher sowohl das Eisenoxid als auch das Gold zum Schwerpunkt des katalytischen Prozesses machten.
Die Studie erscheint online in der Mai-Ausgabe des Journal of Catalysis unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021951712004204.
"Unser oberstes Ziel ist es, Wasserstoff für die Verwendung in Brennstoffzellen zu produzieren", sagte Titilayo "Titi" Shodiya, ein Doktorand im Labor des leitenden Forschers Nico Hotz, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke's Pratt School der Technik. "Jeder ist an nachhaltigen und umweltfreundlichen Wegen interessiert, um nützliche Energie ohne fossile Brennstoffe zu erzeugen", sagte Shodiya, der Erstautor der Zeitung.
Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität durch chemische Reaktionen, am häufigsten unter Beteiligung von Wasserstoff. Außerdem erfordern viele industrielle Prozesse Wasserstoff als chemisches Reagens, und Fahrzeuge beginnen, Wasserstoff als primäre Brennstoffquelle zu verwenden.
"Wir konnten durch unser System konsequent Wasserstoff mit weniger als 0,002 Prozent (20 ppm) Kohlenmonoxid produzieren", sagte Shodiya.
Die Duke-Forscher erreichten diese Werte, indem sie das Rezept für die Nanopartikel umstellten, die als Katalysatoren für die Reaktionen zur Oxidation von Kohlenmonoxid in wasserstoffreichen Gasen verwendet werden. Traditionelle Methoden zur Reinigung von Wasserstoff, die bei weitem nicht so effizient sind wie dieser neue Ansatz, beinhalten nach Angaben der Forscher auch Gold-Eisenoxid-Nanopartikel als Katalysator.
"Es wurde angenommen, dass die Eisenoxid-Nanopartikel nur" Gerüste "sind, die die Gold-Nanopartikel zusammenhalten, und dass das Gold für die chemischen Reaktionen verantwortlich ist", sagte Sodiya. "Wir haben jedoch festgestellt, dass eine Vergrößerung der Oberfläche des Eisenoxids die katalytische Aktivität des Goldes dramatisch erhöht."
Einer der neuesten Ansätze zur Erzeugung erneuerbarer Energie ist die Verwendung von auf Biomasse basierenden alkoholischen Quellen wie Methanol. Wenn Methanol mit Dampf behandelt oder reformiert wird, entsteht ein wasserstoffreiches Gemisch, das in Brennstoffzellen verwendet werden kann.
"Das Hauptproblem bei diesem Ansatz ist, dass es auch Kohlenmonoxid produziert, das nicht nur giftig für das Leben ist, sondern auch den Katalysator auf Brennstoffzellenmembranen, die für die Funktion einer Brennstoffzelle von entscheidender Bedeutung sind, schnell beschädigt", sagte Hotz. "Es braucht nicht viel Kohlenmonoxid, um diese Membranen zu zerstören."
Die Forscher ließen die Reaktion mehr als 200 Stunden lang laufen und stellten keine Verringerung der Fähigkeit des Katalysators fest, die Menge an Kohlenmonoxid im Wasserstoffgas zu verringern.
„Der Mechanismus hierfür ist noch nicht genau bekannt. Wir sind jedoch der Ansicht, dass die Größe der Goldpartikel von entscheidender Bedeutung ist. Wir sind jedoch der Ansicht, dass der Schwerpunkt der weiteren Forschung auf der Rolle von Eisenoxid in diesem Prozess liegen sollte “, sagte Shodiya.
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