Νέα μέθοδος παράγει υδρογόνο με τη χρήση LED

Τώρα, μια νέα διαδικασία χρησιμοποιεί LEDs για να ανακτήσει το υδρογόνο από ένα όχι και τόσο συνηθισμένο, αλλά πολλά υποσχόμενο, μέσο αποθήκευσης, την υγρή αμμωνία (NH₃). Όταν υπάρχει ανάγκη για τη χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο, η αμμωνία μπορεί να διασπαστεί και να απελευθερώσει το υδρογόνο. Η αμμωνία είναι πολύ πιο εύκολη στην αποθήκευση και τη μεταφορά, αλλά η εξαγωγή υδρογόνου από αυτήν είναι δύσκολη.

Ένας τρόπος για να ενεργοποιηθεί η διάσπαση της αμμωνίας είναι η χρήση νανοσωματιδίων χαλκού με καταλύτη άτομα ρουθηνίου. Όταν τα νανοσωματίδια ακτινοβολούνται με εξαιρετικά γρήγορους παλμούς laser, τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια τους διεγείρονται, αφήνοντας πίσω θετικά φορτισμένες οπές. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών αντιδρούν εύκολα με μόρια όπως η αμμωνία. Αυτή η διαδικασία πολλαπλών σταδίων απελευθερώνει τελικά καθαρό υδρογόνο, αφήνοντας τα καταλυτικά νανοσωματίδια αμετάβλητα για τον επόμενο κύκλο αντίδρασης.

Παρά τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής, οι καταλύτες ρουθηνίου που ταιριάζουν καλύτερα για τη διαδικασία είναι σπάνιοι αλλά και ακριβοί, γεγονός που καθιστά ιδιαίτερα δύσκολη την εφαρμογή της μεθόδου σε βιομηχανική κλίμακα. Εναλλακτικά, η αμμωνία μπορεί να διασπαστεί αντικαθιστώντας το ρουθήνιο με μέταλλα μετάπτωσης, όπως ο σίδηρος, ο οποίος είναι φθηνότερος και βρίσκεται σε αφθονία. Ωστόσο, και αυτή η προσέγγιση έχει τα δικά της προβλήματα.

Σε σύγκριση με στοιχεία όπως το ρουθήνιο, το οποίο ανήκει στην ομάδα των PGMs (Platinum Group Metals), τα μέταλλα μετάπτωσης σχηματίζουν πολύ ισχυρότερους δεσμούς με τα ενδιάμεσα προϊόντα κατά τη διάσπαση της αμμωνίας, εμποδίζοντας την περαιτέρω εξέλιξη της αντίδρασης. Για να καταλύσουν την αντίδραση, τα μέταλλα μετάπτωσης πρέπει να θερμανθούν σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 400^oC. Αυτό τελικά καθιστά τη διαδικασία εξίσου δαπανηρή και πολύ πιο ενεργοβόρα από τη χρήση ρουθηνίου.

Μία ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τη Naomi Halas στο Πανεπιστήμιο Rice του Houston θεωρεί ότι βρήκε τρόπο να ξεπεράσει αυτή την πρόκληση. Αντί για τη θέρμανση των φωτοκαταλυτών μετάλλων μετάπτωσης, η ομάδα τους ακτινοβόλησε με ένα φωτεινό, καλά ρυθμισμένο LED.

Για να βελτιστοποιήσουν τη συχνότητα και την ένταση αυτού του φωτός, οι ερευνητές άντλησαν γνώση από μια σειρά κβαντικών προσομοιώσεων, που πραγματοποιήθηκαν από την Emily Carter και τους συνεργάτες της στο Πανεπιστήμιο του Princeton. Χρησιμοποιώντας αυτά τα εικονικά πειράματα, διερεύνησαν τις αλληλεπιδράσεις μοριακής κλίμακας που λαμβάνουν χώρα μεταξύ του φωτός του LED και των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που σχηματίστηκαν στις επιφάνειες των νανοσωματιδίων.

Με την ικανότητα πρόβλεψης αυτών των εξαιρετικά πολύπλοκων αντιδράσεων, η ομάδα της Halas θα μπορούσε να κατασκευάσει μια βέλτιστη διάταξη για τη μετατροπή του φωτός LED σε χημική ενέργεια. Στο πείραμά τους, φώτισαν νανοσωματίδια χαλκού, συνδυασμένα με συστάδες ατόμων σιδήρου, και στη συνέχεια μέτρησαν την ποσότητα καθαρού υδρογόνου που μπορούσαν να εξάγουν από την υγρή αμμωνία.

Τις επόμενες ώρες από την έναρξη του πειράματος, τα μόρια αμμωνίας διασπάστηκαν χιλιάδες φορές πιο γρήγορα από ό,τι σε προηγούμενα πειράματα όπου χρησιμοποιήθηκαν μέταλλα μετάπτωσης ως φωτοκαταλύτες. Μετά από έξι ώρες, η απόδοση του σιδήρου παρέμεινε στο ίδιο επίπεδο σε σύγκριση με τα πολύ πιο ακριβά νανοσωματίδια επικαλυμμένα με ρουθήνιο, χωρίς να είναι αναγκαίες υψηλές θερμοκρασίες, αλλά και με τη συγκέντρωση μεταλλικών ατόμων σε παρόμοια επίπεδα.

Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια που απομένουν είναι η ανάγκη για βελτίωση των υφιστάμενων μεθόδων παραγωγής αμμωνίας. Προς το παρόν, αυτή είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία, όπου τα ορυκτά καύσιμα πρέπει να υποβάλλονται σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις.

Μόλις παραχθεί, ωστόσο, η υγρή αμμωνία μπορεί εύκολα να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί σε θερμοκρασίες και πιέσεις δωματίου, προσφέροντας μια πολύ πιο ρεαλιστική εναλλακτική στην απευθείας αποθήκευση καυσίμου υδρογόνου. Γίνονται επίσης προσπάθειες για παραγωγή αμμωνίας από πράσινο υδρογόνο που παράγεται με ηλιακή ενέργεια, σε αντίθεση με την τρέχουσα διαδικασία που βασίζεται στο φυσικό αέριο (μπλε υδρογόνο).

Επιπλέον, τα LEDs είναι ήδη πολύ αποτελεσματικά στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε φως και οι βελτιώσεις σε αυτήν την απόδοση αναμένεται να βελτιωθούν περαιτέρω τα επόμενα χρόνια. Με τη σειρά του, το φως LED θα μπορούσε να παραχθεί σε αυξανόμενη αφθονία με τη βοήθεια ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, παρουσιάζοντας μια πολλά υποσχόμενη πορεία προς τα εμπρός στον αγώνα κατά της κλιματικής αλλαγής.

Με πληροφορίες από freethink.com