พลิกโฉมเทคโนโลยีพลังงานสะอาด

วิธีหนึ่งในการควบคุมพลังงานแสงอาทิตย์คือการใช้ไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์เพื่อแยกโมเลกุลของน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยกระบวนการนี้จะถูกเก็บไว้เป็นเชื้อเพลิง ในรูปแบบที่สามารถถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งและใช้ในการผลิตพลังงานตามความต้องการ ในการแยกโมเลกุลของน้ำออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา แต่วัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการในปัจจุบัน หรือที่เรียกว่าปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนนั้นไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะทำให้กระบวนการนี้ใช้งานได้จริง การใช้กลยุทธ์ทางเคมีที่เป็นนวัตกรรมซึ่งพัฒนาขึ้นที่ UVA ทีมนักวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ด้านเคมี Sen Zhang และ T. Brent Gunnoe ได้ผลิตตัวเร่งปฏิกิริยารูปแบบใหม่โดยใช้องค์ประกอบโคบอลต์และไททาเนียม ข้อได้เปรียบของธาตุเหล่านี้คือมีอยู่มากมายในธรรมชาติมากกว่าวัสดุเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไปซึ่งมีโลหะมีค่า เช่น อิริเดียมหรือรูทีเนียม "กระบวนการใหม่เกี่ยวข้องกับการสร้างไซต์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานอยู่ในระดับอะตอมบนพื้นผิวของผลึกนาโนไททาเนียมออกไซด์ ซึ่งเป็นเทคนิคที่ผลิตวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทนทานและเป็นวิธีที่ดีกว่าในการกระตุ้นปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน" จางกล่าวว่า "แนวทางใหม่ในการเร่งปฏิกิริยาปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนที่มีประสิทธิภาพและความเข้าใจพื้นฐานที่เพิ่มขึ้นของสิ่งเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการช่วยให้สามารถเปลี่ยนไปใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบหมุนเวียนได้ งานนี้เป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเทคโนโลยีพลังงานสะอาดโดยการปรับจูน วัสดุนาโนในระดับอะตอม" Gunnoe กล่าวว่า "นวัตกรรมนี้เน้นที่ความสำเร็จจากห้องปฏิบัติการ Zhang พลังงานสะอาด ซึ่งแสดงถึงวิธีการใหม่ในการปรับปรุงและทำความเข้าใจกับวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยความพยายามที่เกิดขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับการรวมการสังเคราะห์วัสดุขั้นสูง การแสดงลักษณะระดับอะตอม และทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม" "เมื่อหลายปีก่อน UVA เข้าร่วมกลุ่มบริษัท MAXNET Energy ซึ่งประกอบด้วยสถาบัน Max Planck 8 แห่ง (เยอรมนี) UVA และมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (สหราชอาณาจักร) ซึ่งรวบรวมความร่วมมือระดับนานาชาติที่มุ่งเน้นเรื่องปฏิกิริยาออกซิเดชันของน้ำด้วยไฟฟ้า MAXNET Energy เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับปัจจุบัน ความพยายามร่วมกันระหว่างกลุ่มของฉันและห้องแล็บของ Zhang ซึ่งเป็นความร่วมมือที่ประสบความสำเร็จและมีประสิทธิผลอย่างต่อเนื่อง" Gunnoe กล่าว ด้วยความช่วยเหลือของ Argonne National Laboratory และ Lawrence Berkeley National Laboratory และเครื่องซินโครตรอน X-ray Absorption spectroscopy ที่ล้ำสมัย ซึ่งใช้รังสีเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของสสารในระดับอะตอม ทีมวิจัยพบว่า ว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีโครงสร้างพื้นผิวที่ชัดเจนซึ่งช่วยให้พวกเขาเห็นได้อย่างชัดเจนว่าตัวเร่งปฏิกิริยาวิวัฒนาการอย่างไรในระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน และช่วยให้พวกเขาประเมินประสิทธิภาพของมันได้อย่างแม่นยำ Argonne X- กล่าวว่า "งานนี้ใช้ลำแสงรังสีเอกซ์จากแหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูงและแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูง รวมถึงส่วนหนึ่งของโปรแกรม นักฟิสิกส์เรย์ หัวโจว ผู้ร่วมเขียนบทความ "เรารู้สึกตื่นเต้นเป็นอย่างยิ่งที่หน่วยงานด้านวิทยาศาสตร์แห่งชาติทั้งสองแห่งสามารถมีส่วนร่วมอย่างมากในการทำงานแยกน้ำที่ชาญฉลาดและประณีต ซึ่งจะช่วยให้เทคโนโลยีพลังงานสะอาดก้าวกระโดด" ทั้งแหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูงและแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงคือสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ซึ่งตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของ DOE และห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ตามลำดับ นอกจากนี้ นักวิจัยจากคาลเทค ซึ่งใช้วิธีกลศาสตร์ควอนตัมที่พัฒนาขึ้นใหม่สามารถทำนายอัตราการผลิตออกซิเจนที่เกิดจากตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ ซึ่งทำให้ทีมมีความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกทางเคมีของปฏิกิริยา "เราได้พัฒนาเทคนิคกลศาสตร์ควอนตัมใหม่เพื่อทำความเข้าใจกลไกการเกิดปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนมานานกว่า 5 ปี แต่ในการศึกษาก่อนหน้านี้ทั้งหมด เราไม่สามารถแน่ใจถึงโครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่แน่นอนได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาของ Zhang มีโครงสร้างอะตอมที่ชัดเจน และ เราพบว่าผลลัพธ์ทางทฤษฎีของเราโดยพื้นฐานแล้วสอดคล้องกับสิ่งที่สังเกตได้จากการทดลอง" วิลเลียม เอ. ก็อดดาร์ดที่ 3 ศาสตราจารย์ด้านเคมี วัสดุศาสตร์ และฟิสิกส์ประยุกต์ที่คาลเทคและเป็นหนึ่งในผู้ตรวจสอบหลักของโครงการกล่าว "นี่เป็นการตรวจสอบความถูกต้องเชิงทดลองครั้งแรกสำหรับวิธีการทางทฤษฎีใหม่ของเรา ซึ่งตอนนี้เราสามารถใช้เพื่อทำนายตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดียิ่งขึ้นซึ่งสามารถสังเคราะห์และทดสอบได้ นี่เป็นก้าวสำคัญสู่พลังงานสะอาดทั่วโลก" Jill Venton ประธานภาควิชาเคมีของ UVA กล่าวว่า "งานนี้เป็นตัวอย่างที่ดีของความพยายามของทีม UVA และนักวิจัยคนอื่นๆ ในการทำงานเพื่อมุ่งสู่พลังงานสะอาดและการค้นพบอันน่าตื่นเต้นที่มาจากความร่วมมือแบบสหวิทยาการ"