Tunnetussa lukion kemian esittelyssä ohjaaja käyttää ensin sähköä nestemäisen veden jakamiseksi sen kaasuiksi, vety ja happi. Sitten yhdistämällä nämä kaksi kaasua ja sytyttämällä ne kipinällä ohjaaja muuttaa kaasut takaisin veteen kovalla popilla.
Tutkijat Illinoisin yliopisto on löytänyt uuden tavan valmistaa vettä ja ilman popia. Paitsi että he voivat valmistaa vettä epätodennäköisistä lähtöaineista, kuten alkoholeista, heidän työnsä voi myös johtaa parempiin katalyytteihin ja halvempiin polttokennoihin.
”Huomasimme, että epätavanomaisia metallihydridejä voidaan käyttää kemiallisessa prosessissa, jota kutsutaan hapen pelkistämiseksi, joka on olennainen osa veden valmistusprosessia”, kertoi tohtorikoulutettava Zachariah Heiden. paperi on hyväksytty julkaistavaksi Journal of the American Chemical Society -lehdessä.
Vesimolekyyli (muodollisesti tunnettu dihydrogeenimonoksidina) koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista. Mutta et voi yksinkertaisesti ottaa kahta vetyä ja kiinnitä ne happiatomiin. Varsinainen reaktio veden tekemiseksi on hieman monimutkaisempi: 2H2 + O2 = 2H2O + energia.
Englanniksi yhtälössä sanotaan: Kahden vesimolekyylin tuottaminen ( H2O), kaksi diatomisen vedyn molekyyliä (H2) on yhdistettävä yhden piimaan hapen (O2) molekyylin kanssa. Energia vapautuu prosessissa.
”Tämä reaktio (2H2 + O2 = 2H2O + energia ) on ollut tiedossa jo kahden vuosisadan ajan, mutta toistaiseksi kukaan ei ole saattanut sitä toimimaan homogeenisessa ratkaisussa ”, kertoi Thomas Rauchfuss I. kemian professori ja paperin vastaava kirjoittaja.
Tunnettu reaktio kuvaa myös, mitä tapahtuu vetypolttokennon sisällä.
Tyypillisessä polttokennossa piimaa sisältävä vetykaasu saapuu kennon toiselle puolelle, piimainen happikaasu toiselle puolelle. Vetymolekyylit menettävät elektroninsa ja latautuvat positiivisesti hapetukseksi kutsutun prosessin kautta, kun taas happimolekyylit saavat neljä elektronia ja varautuvat negatiivisesti pelkistykseksi kutsutun prosessin kautta. Negatiivisesti varautuneet happi-ionit yhdessä positiivisesti varautuneiden vetyionien kanssa muodostavat vettä ja vapauttavat sähköenergiaa.
Polttokennon ”vaikea puoli” on hapen pelkistysreaktio, ei vedyn hapetusreaktio, Rauchfuss sanoi. ”Löysimme kuitenkin, että uudet katalyytit hapen pelkistykseen voivat johtaa myös uusiin kemiallisiin keinoihin vetyhapetukseen. ”
Rauchfuss ja Heiden tutkivat äskettäin suhteellisen uuden sukupolven siirtohydrauskatalyyttejä käytettäväksi epätavanomaisina metallihydrideinä hapen pelkistämisessä.
JACS-artikkelissaan tutkijat keskittyvät yksinomaan iridiumpohjaisten siirtohydrauskatalyyttien hapettavaan reaktiivisuuteen homogeenisessa, vedettömässä liuoksessa. He löysivät iridiumkompleksin vaikutukset sekä alkoholien hapettumiseen että hapen pelkistymiseen.
”Useimmat yhdisteet reagoivat joko vedyn tai hapen kanssa, mutta tämä katalyytti reagoi molempien kanssa”, Heiden sanoi. ”Se reagoi vedyn kanssa muodostaen hydridin ja reagoi sitten hapen kanssa muodostaen vettä; ja se tekee tämän homogeenisessa, vedettömässä liuottimessa. ” Uudet katalyytit voivat johtaa tehokkaampien vetypolttokennojen mahdolliseen kehittämiseen ja alentaa huomattavasti niiden kustannuksia, Heiden sanoi.