I en kjent kjemisk demonstrasjon på videregående skole, bruker en instruktør først elektrisitet til å dele flytende vann inn i dets gasser, hydrogen og oksygen. Deretter, ved å kombinere de to gassene og tenne dem med en gnist, endrer instruktøren gassene tilbake til vann med en høy pop.
Forskere ved University of Illinois har oppdaget en ny måte å lage vann på, og uten pop. Ikke bare kan de lage vann av usannsynlige utgangsmaterialer, for eksempel alkoholer, deres arbeid kan også føre til bedre katalysatorer og billigere brenselceller.
«Vi fant at ukonvensjonelle metallhydrider kan brukes til en kjemisk prosess som kalles oksygenreduksjon, som er en viktig del av prosessen med å lage vann,» sa Zachariah Heiden, doktorgradsstudent og hovedforfatter av en papir akseptert for publisering i Journal of the American Chemical Society.
Et vannmolekyl (formelt kjent som dihydrogenmonoxide) består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom, men du kan ikke bare ta to hydrogen og stikker dem på et oksygenatom. Den faktiske reaksjonen for å lage vann er litt mer komplisert: 2H2 + O2 = 2H2O + Energi.
På engelsk sier ligningen: Å produsere to vannmolekyler ( H2O), to molekyler diatomisk hydrogen (H2) må kombineres med ett molekyl diatomisk oksygen (O2). Energi frigjøres i prosessen.
«Denne reaksjonen (2H2 + O2 = 2H2O + Energi ) har vært kjent i to århundrer, men til nå har ingen fått det til å fungere i en homogen løsning, ”sa Thomas Rauchfuss, en U . av I. professor i kjemi og papirets tilsvarende forfatter.
Den velkjente reaksjonen beskriver også hva som skjer inne i en hydrogenbrenselcelle.
I en typisk brenselcelle kommer den diatomiske hydrogengassen inn på den ene siden av cellen, diatomisk oksygengass kommer inn på den andre siden. Hydrogenmolekylene mister elektronene og blir positivt ladet gjennom en prosess som kalles oksidasjon, mens oksygenmolekylene får fire elektroner og blir negativt ladet gjennom en prosess som kalles reduksjon. De negativt ladede oksygenionene kombineres med positivt ladede hydrogenioner for å danne vann og frigjøre elektrisk energi.
Den «vanskelige siden» av brenselcellen er oksygenreduksjonsreaksjonen, ikke hydrogenoksidasjonsreaksjonen, sa Rauchfuss. «Vi fant imidlertid at nye katalysatorer for oksygenreduksjon også kunne føre til nye kjemiske midler for hydrogenoksidasjon. ”
Rauchfuss og Heiden undersøkte nylig en relativt ny generasjon overføringshydrogeneringskatalysatorer for bruk som ukonvensjonelle metallhydrider for oksygenreduksjon.
I deres JACS-papir fokuserer forskerne utelukkende på den oksidative reaktiviteten til iridiumbaserte overføringshydogeniseringskatalysatorer i en homogen, ikke-vandig løsning. De fant at iridium-komplekset påvirker både oksidasjon av alkoholer og reduksjon av oksygen.
«De fleste forbindelser reagerer med enten hydrogen eller oksygen, men denne katalysatoren reagerer med begge,» sa Heiden. «Den reagerer med hydrogen for å danne et hydrid, og reagerer deretter med oksygen for å lage vann; og den gjør dette i et homogent, ikke-vandig løsningsmiddel. ”
De nye katalysatorene kan føre til en eventuell utvikling av mer effektive hydrogenbrenselceller, noe som reduserer kostnadene betydelig, sa Heiden.