Chemiker der University of Kansas und des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben einen großen Schritt in Richtung Spaltung von Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen gemacht, um reinen Wasserstoff herzustellen – ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe.
Ergebnisse von Pulsradiolyse-Experimenten haben den vollständigen Reaktionsmechanismus für eine wichtige Gruppe von „wasserspaltenden“ Katalysatoren offengelegt. Die Arbeit von KU und Brookhaven bedeutet, dass Wissenschaftler der Herstellung von reinem Wasserstoff aus erneuerbarer Energie näher kommen, einer Energiequelle, die zu einer grüneren Zukunft für die Nation und die Welt beitragen könnte.
Ihre Ergebnisse erscheinen diese Woche in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Zu verstehen, wie die chemischen Reaktionen funktionieren, die saubere Kraftstoffe wie Wasserstoff erzeugen, ist eine große Herausforderung – dieser Artikel stellt den Höhepunkt eines Projekts dar, das ich in meinem allerersten Jahr an der KU begonnen habe“, sagte Co-Autor James Blakemore, außerordentlicher Professor für Chemie. dessen Forschungen in Lawrence die Grundlage der Entdeckung bilden.
„Unser Artikel präsentiert Daten, die mit Hilfe spezieller Techniken hart gewonnen wurden, um zu verstehen, wie ein bestimmter Katalysator für die Wasserstofferzeugung seine Aufgabe erfüllt“, sagte er. „Die Techniken, die sowohl hier an der KU als auch in Brookhaven eingesetzt wurden, sind recht speziell. Durch deren Umsetzung konnten wir uns ein umfassendes Bild davon machen, wie man Wasserstoff aus seinen Bestandteilen, Protonen und Elektronen, herstellt.“
Blakemores Forschung an der KU war die Grundlage für den Durchbruch. Er brachte seine Arbeit nach Brookhaven, um dort im Accelerator Center for Energy Research mit der Pulsradiolyse und anderen Techniken zu forschen. Brookhaven ist einer von nur zwei Orten im Land, an denen Geräte vorhanden sind, die Pulsradiolyseexperimente ermöglichen.
„Es ist sehr selten, dass man einen vollständigen Katalysezyklus vollständig verstehen kann“, sagte der Brookhaven-Chemiker Dmitry Polyansky, einer der Mitautoren der Arbeit. „Diese Reaktionen durchlaufen viele Schritte, von denen einige sehr schnell sind und nicht einfach beobachtet werden können.“
Blakemore und seine Mitarbeiter machten die Entdeckung, indem sie einen Katalysator untersuchten, der auf einem Pentamethylcyclopentadienylrhodiumkomplex basiert [Cp*Rh] kurz gesagt. Sie konzentrierten sich auf den Cp*-Liganden (ausgesprochen CP-„Stern“) gepaart mit dem seltenen Metall Rhodium, da Hinweise aus früheren Arbeiten zeigten, dass diese Kombination für die Arbeit geeignet wäre.
„Unser Rhodiumsystem erwies sich als gutes Ziel für die Pulsradiolyse“, sagte Blakemore. „Die Cp*-Liganden, wie sie genannt werden, sind den meisten metallorganischen Chemikern und eigentlich Chemikern aller Couleur bekannt. Sie werden zur Unterstützung vieler Katalysatoren verwendet und können eine Vielzahl von Spezies stabilisieren, die an Katalysezyklen beteiligt sind. Eine wichtige Erkenntnis von Dieses Papier gibt neue Einblicke in die Art und Weise, wie der Cp*-Ligand eng in die Chemie der Wasserstoffentwicklung eingebunden sein kann.“
Blakemore betonte jedoch, dass die Ergebnisse neben der Herstellung von sauberem Wasserstoff auch zu anderen verbesserten chemischen Prozessen führen könnten.
„Wir hoffen, dass Chemiker in unserer Arbeit eine Studie darüber sehen werden, wie ein gemeinsamer Ligand, Cp*, ungewöhnliche Reaktivität ermöglichen kann“, sagte der KU-Forscher. „Diese ungewöhnliche Reaktivität ist für die Geschichte des Wasserstoffs relevant, aber sie ist tatsächlich noch größer, weil Cp* in so vielen verschiedenen Katalysatoren vorkommt. Chemiker gehen normalerweise davon aus, dass Katalysatoren auf Metallen basieren. In dieser Denkweise, wenn man etwas herstellt Als neues Molekül ist das Metall der Hauptakteur, der die Bestandteile zusammenfügt. Unsere Arbeit zeigt, dass dies nicht immer der Fall ist. Cp* kann daran beteiligt sein, die Teile zu Produkten zusammenzufügen.“
Blakemore sagte, er hoffe, dass dieses Papier eine Öffnung sein könnte, die zu Verbesserungen bei anderen Katalysatoren und Systemen führt, die auf Cp*-Liganden basieren. Der Durchbruch, der von der National Science Foundation und dem DOE Office of Science unterstützt wurde, könnte sich auch auf die industrielle Chemie übertragen lassen. Blakemore arbeitet derzeit daran, Techniken wie die in dieser Arbeit verwendeten auf die Entwicklung neuer Ansätze für das Recycling von Kernbrennstoffen und den Umgang mit Aktinidenspezies anzuwenden.
Auch KU-Studenten auf Graduierten- und Bachelor-Ebene waren an der Forschung beteiligt, die den Durchbruch untermauerte.
„Dieses Projekt war ein sehr wichtiges Schulungsinstrument für Studenten“, sagte Blakemore. „Doktorand Wade Henke, der Erstautor, ist jetzt als Postdoktorand am Argonne National Laboratory. Der Doktorand Yun Peng ist der zweite Autor und hat die gemeinsame Arbeit mit Brookhaven ins Leben gerufen; beide haben inzwischen ihre Doktorarbeit abgeschlossen. Auch Studenten haben dazu beigetragen.“ Das Projekt hat im Laufe der Jahre zu neuen Komplexen und Erkenntnissen geführt, die wir zur Formulierung der in diesem Artikel entstandenen Geschichte genutzt haben.
„Alles in allem halte ich es für ein erfolgreiches Projekt, das über die Jahre hinweg eine echte Teamleistung war.“
