I en välkänd kemisk demonstration i gymnasiet använder en instruktör först el för att dela flytande vatten i dess ingående gaser, väte och syre. Genom att kombinera de två gaserna och antända dem med en gnista, ändrar instruktören gaserna tillbaka till vatten med en hög pop.
Forskare vid University of Illinois har upptäckt ett nytt sätt att göra vatten, och utan pop. Inte bara kan de göra vatten från osannolika utgångsmaterial, såsom alkoholer, deras arbete kan också leda till bättre katalysatorer och billigare bränsleceller.
”Vi fann att okonventionella metallhydrider kan användas för en kemisk process som kallas syrereduktion, vilket är en väsentlig del av processen att göra vatten”, säger Zachariah Heiden, doktorand och huvudförfattare till en papper accepterat för publicering i Journal of the American Chemical Society.
En vattenmolekyl (formellt känd som dihydrogenmonoxide) består av två väteatomer och en syreatom. Men du kan inte helt enkelt ta två väte och sticka dem på en syreatom. Den faktiska reaktionen för att göra vatten är lite mer komplicerad: 2H2 + O2 = 2H2O + Energi.
På engelska säger ekvationen: Att producera två vattenmolekyler ( H2O), två molekyler diatomiskt väte (H2) måste kombineras med en molekyl diatomiskt syre (O2). Energi frigörs i processen.
”Denna reaktion (2H2 + O2 = 2H2O + Energi ) har varit känt i två århundraden, men hittills har ingen fått det att fungera i en homogen lösning, säger Thomas Rauchfuss, en U av professor i kemi och tidningen motsvarande författare.
Den välkända reaktionen beskriver också vad som händer inuti en vätgasbränslecell.
I en typisk bränslecell kommer den diatomiska vätgas in i ena sidan av cellen, diatomisk syrgas kommer in på den andra sidan. Vätemolekylerna förlorar sina elektroner och laddas positivt genom en process som kallas oxidation, medan syremolekylerna får fyra elektroner och blir negativt laddade genom en process som kallas reduktion. De negativt laddade syrejonerna kombineras med positivt laddade vätejoner för att bilda vatten och frigöra elektrisk energi.
Den ”svåra sidan” av bränslecellen är syrereduktionsreaktionen, inte väteoxidationsreaktionen, sa Rauchfuss. ”Vi fann dock att nya katalysatorer för syrereduktion också kunde leda till nya kemiska medel för väteoxidation. ”
Rauchfuss och Heiden undersökte nyligen en relativt ny generation av transferhydrogeneringskatalysatorer för användning som okonventionella metallhydrider för syrereduktion.
I sitt JACS-papper fokuserar forskarna uteslutande på den oxidativa reaktiviteten hos iridiumbaserade överföringshydogeneringskatalysatorer i en homogen, icke-vattenhaltig lösning. De fann att iridiumkomplexet påverkar både oxidationen av alkoholer och minskningen av syret.
”De flesta föreningar reagerar med antingen väte eller syre, men denna katalysator reagerar med båda,” sade Heiden. ”Den reagerar med väte för att bilda en hydrid och reagerar sedan med syre för att skapa vatten; och det gör detta i ett homogent, icke-vattenhaltigt lösningsmedel. ”
De nya katalysatorerna kan leda till en eventuell utveckling av mer effektiva vätgasbränsleceller, vilket avsevärt sänker deras kostnader, säger Heiden.