In een bekende scheikundedemonstratie op een middelbare school gebruikt een instructeur eerst elektriciteit om vloeibaar water te splitsen in zijn samenstellende gassen, waterstof en zuurstof. Door vervolgens de twee gassen te combineren en ze met een vonk te ontsteken, verandert de instructeur de gassen met een luide knal terug in water.
Wetenschappers van de Universiteit van Illinois heeft een nieuwe manier ontdekt om water te maken, en zonder pop. Ze kunnen niet alleen water maken van onwaarschijnlijke uitgangsmaterialen, zoals alcoholen, hun werk kan ook leiden tot betere katalysatoren en goedkopere brandstofcellen.
“We ontdekten dat onconventionele metaalhydriden kunnen worden gebruikt voor een chemisch proces genaamd zuurstofreductie, wat een essentieel onderdeel is van het proces om water te maken”, zegt Zachariah Heiden, een doctoraalstudent en hoofdauteur van een papier geaccepteerd voor publicatie in de Journal of the American Chemical Society.
Een watermolecuul (formeel bekend als diwaterstofmonoxide) bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Maar je kunt niet zomaar twee waterstofatomen nemen atomen en plak ze op een zuurstofatoom. De eigenlijke reactie om water te maken is een beetje ingewikkelder: 2H2 + O2 = 2H2O + energie.
In het Engels zegt de vergelijking: Om twee moleculen water te produceren ( H2O), twee moleculen diatomische waterstof (H2) moeten worden gecombineerd met één molecuul diatomische zuurstof (O2). Tijdens het proces komt energie vrij.
“Deze reactie (2H2 + O2 = 2H2O + Energie ) is al twee eeuwen bekend, maar tot nu toe heeft niemand het in een homogene oplossing laten werken “, aldus Thomas Rauchfuss, een U . van I. professor scheikunde en de corresponderende auteur van het artikel.
De bekende reactie beschrijft ook wat er gebeurt in een waterstof-brandstofcel.
In een typische brandstofcel komt het twee atomen waterstofgas de ene kant van de cel binnen, het twee atomen zuurstofgas komt de andere kant binnen. De waterstofmoleculen verliezen hun elektronen en worden positief geladen door een proces dat oxidatie wordt genoemd, terwijl de zuurstofmoleculen vier elektronen krijgen en negatief geladen worden door een proces dat reductie wordt genoemd. De negatief geladen zuurstofionen combineren met positief geladen waterstofionen om water te vormen en elektrische energie vrij te geven.
De “moeilijke kant” van de brandstofcel is de zuurstofreductiereactie, niet de waterstofoxidatiereactie, zei Rauchfuss. “We ontdekten echter dat nieuwe katalysatoren voor zuurstofreductie ook kunnen leiden tot nieuwe chemische middelen. voor waterstofoxidatie. ”
Rauchfuss en Heiden hebben onlangs een relatief nieuwe generatie transferhydrogeneringskatalysatoren onderzocht voor gebruik als onconventionele metaalhydriden voor zuurstofreductie.
In hun JACS-paper richten de onderzoekers zich uitsluitend op de oxidatieve reactiviteit van op iridium gebaseerde transferhydogeneringskatalysatoren in een homogene, niet-waterige oplossing. Ze ontdekten dat het iridiumcomplex zowel de oxidatie van alcoholen als de reductie van zuurstof beïnvloedt.
“De meeste verbindingen reageren met waterstof of zuurstof, maar deze katalysator reageert met beide”, zei Heiden. “Het reageert met waterstof om een hydride te vormen, en reageert dan met zuurstof om water te maken; en het doet dit in een homogeen, niet-waterig oplosmiddel. ”
De nieuwe katalysatoren zouden kunnen leiden tot de uiteindelijke ontwikkeling van efficiëntere waterstofbrandstofcellen, waardoor hun kosten aanzienlijk worden verlaagd, zei Heiden.