Как разложить воду формула

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О₂ (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H₂, производя полезную форму водорода — газ H₂,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H₂ в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Источник

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ — КАК ОН ЕСТЬ

Еще раз про Н2О
К ак уже говорилось, впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов — водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода яв­ляется однородным веществом, факт открытия ее не­однородного состава можно назвать революцион­ным. Чего еще можно было требовать от первооткры­вателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о во­де как соединении двух элементов — водорода и кис­лорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие элект­рохимии.

ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Р ядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому разложению воды (подобное оп­ределение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окис­лительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие эле­менты.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды вы­делялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружи­лось два странных явления: во-первых, обе состав­ные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга — кислород у одного электрода, водо­род — у другого; во-вторых, наблюдалось образова­ние кислоты у кислородного полюса и щелочи у во­дородного. Это «странное» разложение воды озада чило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.

Не видя каких-либо явных источников появле­ния в опытах азота, Дэви предположил, что образо­вание азотной кислоты было обязано соединению водорода и кислорода в момент их выделения с азо­том воздуха, растворенным в воде. Для подтвержде­ния своей догадки, он проделал тот же опыт под ко­локолом воздушного насоса, из которого он выкачал воздух (как он пи ш ет сам: осталась лишь 1/64 его первоначального объема). В итоге получились сле­дующие обнадеживающие для него результаты: в ка­тодном сосуде вода вовсе не обнаруживала присут­ствия щелочи, в анодном сосуде лакмусовая бумаж­ка слабо окрасилась в красный цвет, что свидетель­ствовало об образовании там небольшого количест­ва кислоты. Казалось, его догадка подтверждалась. Чтобы уже окончательно убедиться в своей правоте, Дэви еще раз повторил свой опыт под колоколом, но теперь уже в атмосфере чистого водорода. При этом для большей чистоты опыта он дважды на­полнял колокол водородом, чтобы удалить всякие остатки воздуха. Итоги опыта превзошли все ожида­ния: ни в одном из сосудов не было обнаружено да­же следов щелочи и кислоты. Эти опыты не остави­ли у Дэви никаких сомнений в том, что образование кислоты и щелочи у электродов — явление случай­ное и не связано с химическим составом воды, а обя­зано лишь присутствию воздуха, в котором, как изве­стно, содержится азот. Они убедили не только Дэви, но и многие поколения химиков после него. После этих опытов было уже как бы неприлично возвра­щаться вновь к вопросу о химическом составе воды — всем все стало ясно.

Вода «под пыткой» у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безу­коризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по элек­тролизу воды под колоколом воздушного насоса. По­чему в этом опыте образовалось лишь небольшое ко­личество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действи­тельно ли, как думал Дэви, это было связано с отсут­ствием воздуха, выкачанного из-под колокола? От­части да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серь­езную ошибку в своем первоначальном предположе­нии, что причиной образования кислоты и щелочи являлся азот воздуха. Образование кислоты и щело­чи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом. Один этот факт должен был бы на­толкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких со­лей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать по­стоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стоя­ло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.

Итак, множество фактов биологического, химиче­ского и физического свойства не дает оснований при­знать существующую формулу воды верной. Против нее говорят не только эмпирические факты, но и тео­ретические положения и, прежде всего, те, которые вытекают из таких фундаментальных положений, ка­ковыми являются начала термодинамики . Именно с ними совершенно не согласуется взгляд на электро­лиз воды как на процесс простого разложения воды.

Источник

Ученые обнаружили простой способ получения водорода из воды.

Разделение воды, с целью получения водорода, является «священным Граалем» многих ученых, ведущих работы в направлении разработки практически неисчерпаемого источника экологически чистой энергии. Теперь, благодаря исследования ученых университета Монаша (Monash University) в Австрии, этот процесс будет реализовать гораздо проще, чем считалось ранее. Согласно профессору Леоне Спиччиа (Leone Spiccia), ключом к водородной энергетике будущего может стать природный минерал бернессит (Birnessite), который в природе придает черную окраску некоторым горным породам.

«Камнем преткновения процесса получения водорода является собственно разложение воды на кислород и водород. Используя традиционные способы на разрушение химических связей требуется очень много энергии, что делает эти процессы экономически невыгодными. Наша команда разработала процесс расщепления молекулы воды, основанный на марганцесодержащем катализаторе и использующий для этого солнечный свет» — говорит профессор Спиччиа. — «Основой минерала бернессита является марганец, который, как и все элементы из середины периодической системы, может существовать в нескольких состояниях, которые химики называют степенями окисления. Это соответствует количеству атомов кислорода, с которыми связан атом вещества».

Изначально ученые пытались использовать весьма сложные катализаторы на основе того же марганца. После того, как им удалось получить достаточно эффективный каталитический процесс разложения воды на водород и кислород, используя электрический ток, они, используя совершенные спектроскопические методы анализа, обнаружили, что использованный ими сложный катализатор преобразовался в более простое соединение, аналогом которого является природный минерал бернессит. Работа этого катализатора полностью повторяет процессы, на которых основывается процесс расщепления воды под воздействием солнечных лучей в природе.

«Эти исследования позволили нам проникнуть глубже в тайны природы и выяснить как в действительности в природе работает естественный марганцевый катализатор» — рассказывает доктор Розали Хокинг (Dr Rosalie Hocking) из Австралийского центра изучения электроматериалов (Australian Centre for Electromaterials Science). — «Ученые приложили большие усилия к созданию сложных марганцесодержащих молекул для того что бы получить эффективный катализатор. Но все оказалось гораздо проще, самой большой эффективностью в области расщепления воды обладает естественный материал, который достаточно устойчив, что бы выдержать жесткие физические и химические нагрузки во время его использования».

Источник

Расщепление воды — Water splitting

Расщепление воды — это химическая реакция, в которой вода расщепляется на кислород и водород :

Эффективное и экономичное разделение воды стало бы технологическим прорывом, который мог бы поддержать водородную экономику , основанную на зеленом водороде . Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но водород не образуется. В основе водородного топливного элемента лежит обратное расщепление воды .

СОДЕРЖАНИЕ

Электролиз

• Vion, патент США 28,793 , «Улучшенный метод использования атмосферного электричества», июнь 1860 г.

В схемах производства электроэнергии из газа избыточная мощность или внепиковая мощность, создаваемая ветряными генераторами или солнечными батареями, используется для балансировки нагрузки энергосистемы путем хранения, а затем закачки водорода в сеть природного газа.

Производство водорода из воды энергоемко. Потенциальные источники электроэнергии включают гидроэнергетику, ветряные турбины или фотоэлектрические элементы. Обычно потребляемая электроэнергия более ценна, чем произведенный водород, поэтому этот метод не получил широкого распространения. В отличие от низкотемпературного электролиза, высокотемпературный электролиз (HTE) воды преобразует большую часть начальной тепловой энергии в химическую энергию (водород), потенциально повышая эффективность вдвое до примерно 50%. Поскольку часть энергии в HTE поставляется в виде тепла, меньшая часть энергии должна быть преобразована дважды (из тепла в электричество, а затем в химическую форму), поэтому процесс более эффективен.

Расщепление воды при фотосинтезе

Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но электроны шунтируются не на протоны, а на транспортную цепь электронов в фотосистеме II . Электроны используются для преобразования углекислого газа в сахара.

Когда фотосистема I подвергается фотовозбуждению, инициируются реакции переноса электронов, что приводит к восстановлению ряда акцепторов электронов, в конечном итоге восстанавливая NADP + до NADPH, а PS I окисляется. Окисленная фотосистема I захватывает электроны из фотосистемы II посредством ряда этапов с участием таких агентов, как пластохинон, цитохромы и пластоцианин. Фотосистема II затем вызывает окисление воды, приводящее к выделению кислорода, причем реакция катализируется кластерами CaMn ₄ O _5, встроенными в сложную белковую среду; комплекс известен как комплекс с выделением кислорода (OEC).

При биологическом производстве водорода электроны, производимые фотосистемой, направляются не в устройство химического синтеза, а в гидрогеназы , что приводит к образованию H ₂ . Этот биоводород производится в биореакторе .

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Использование электроэнергии, производимой фотоэлектрическими системами, потенциально предлагает самый чистый способ производства водорода, кроме ядерной, ветровой, геотермальной и гидроэлектрической энергии. Опять же, вода расщепляется на водород и кислород при электролизе, но электрическая энергия получается с помощью процесса фотоэлектрохимического элемента (PEC). Система также называется искусственным фотосинтезом .

Фотокаталитическое расщепление воды

Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса разделения воды — это способ получения чистой и возобновляемой энергии. Этот процесс может быть более эффективным, если ему помогают фотокатализаторы, взвешенные непосредственно в воде, а не фотоэлектрическая или электролитическая система, так что реакция протекает в один этап.

Радиолиз

Ядерное излучение обычно разрушает водные связи, в Mponeng золотом прииске , Южной Африки , исследователи обнаружили в природе зоне высокой радиации , сообщество доминирует новый phylotype из Desulfotomaculum , питаясь в основном радиолитическому производства H ₂ . Отработанное ядерное топливо / «ядерные отходы» также рассматривается как потенциальный источник водорода.

Наногальванический порошок алюминиевого сплава

Было показано, что порошок алюминиевого сплава, изобретенный исследовательской лабораторией армии США в 2017 году, способен производить газообразный водород при контакте с водой или любой жидкостью, содержащей воду, благодаря своей уникальной наноразмерной гальванической микроструктуре. Сообщается, что он производит водород с выходом 100 процентов от теоретического без необходимости использования каких-либо катализаторов, химикатов или внешнего источника энергии.

Термическое разложение воды

При термолизе молекулы воды расщепляются на атомарные компоненты — водород и кислород . Например, при 2200 ° C около трех процентов всей H ₂ O диссоциирует на различные комбинации атомов водорода и кислорода, в основном H, H ₂ , O, O ₂ и OH. Другие продукты реакции, такие как H ₂ O ₂ или HO _2, остаются второстепенными. При очень высокой температуре 3000 ° C более половины молекул воды разлагается, но при температуре окружающей среды только одна молекула из 100 триллионов диссоциирует под действием тепла. Высокие температуры и материальные ограничения ограничивают возможности применения этого подхода.

Ядерно-тепловой

Одним из побочных преимуществ ядерного реактора, производящего и электричество, и водород, является то, что он может переключать производство между ними. Например, электростанция может производить электричество днем ​​и водород ночью, согласовывая свой профиль выработки электроэнергии с дневными колебаниями спроса. Если водород можно производить экономично, эта схема будет выгодно конкурировать с существующими схемами хранения энергии в сети . Более того, потребность в водороде в Соединенных Штатах достаточно высока, чтобы такие станции могли справляться со всей суточной пиковой выработкой.

Гибридный термоэлектрический цикл «медь-хлор» — это система когенерации , использующая отходящее тепло ядерных реакторов, в частности, сверхкритического водяного реактора CANDU .

Гелиотермический

Высокие температуры, необходимые для разделения воды, могут быть достигнуты за счет использования концентрированной солнечной энергии . Hydrosol-2 — это 100-киловаттная пилотная установка на Plataforma Solar de Almería в Испании, которая использует солнечный свет для получения необходимой температуры от 800 до 1200 ° C для разделения воды. Hydrosol II находится в эксплуатации с 2008 года. Проект этой 100-киловаттной опытной установки основан на модульной концепции. В результате может быть возможно, что эту технологию можно будет легко расширить до мегаваттного диапазона, умножив доступные реакторные блоки и подключив станцию ​​к полям гелиостата (поля зеркал, отслеживающих солнце) подходящего размера.

Материальные ограничения из-за требуемых высоких температур уменьшаются за счет конструкции мембранного реактора с одновременным извлечением водорода и кислорода, который использует определенный температурный градиент и быструю диффузию водорода. Благодаря концентрированному солнечному свету в качестве источника тепла и только воде в реакционной камере получаемые газы очень чистые, и единственным возможным загрязнителем является вода. «Солнечная установка для взлома воды» с концентратором площадью около 100 м² может производить почти один килограмм водорода за один солнечный час.

Исследовать

Ведутся исследования фотокатализа , ускорения фотореакции в присутствии катализатора. Его понимание стало возможным с момента открытия электролиза воды с помощью диоксида титана. Искусственный фотосинтез — это область исследований, которая пытается воспроизвести естественный процесс фотосинтеза, превращая солнечный свет, воду и углекислый газ в углеводы и кислород. Недавно удалось расщепить воду на водород и кислород с помощью искусственного соединения под названием нафион .

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) — это метод, который в настоящее время исследуется для производства водорода из воды с кислородом в качестве побочного продукта. Другие исследования включают термолиз на дефектных углеродных подложках, что делает возможным производство водорода при температурах чуть ниже 1000 ° C.

Цикл оксида железа — это серия термохимических процессов, используемых для производства водорода . Цикл оксида железа состоит из двух химических реакций , чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами — водород и кислород . Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс оксида железа требует эффективного источника тепла.

Цикл серы-йод (СИ цикл) представляет собой ряд термохимических процессов , используемых для получения водорода . Цикл SI состоит из трех химических реакций , чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами — водород и кислород . Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс SI требует эффективного источника тепла.

Было описано более 352 термохимических циклов расщепления или термолиза воды . Эти циклы обещают производить водород, кислород из воды и тепла без использования электричества. Поскольку вся энергия для таких процессов — тепло, они могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз. Это связано с тем, что эффективность производства электроэнергии ограничена по своей природе. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Суммарная реакция для всех термохимических процессов — это реакция разложения воды:

[<\ce >] 2H2<>+ O2>>>»> 2 ЧАС 2 О ⇌ Нагревать 2 ЧАС 2 + О 2 <\ displaystyle <\ ce <2h2o [<\ ce >] 2H2 <> + O2>>> [<\ ce >] 2H2 <> + O2>>>»>

Все остальные реагенты утилизируются. Ни один из процессов термохимического производства водорода не был продемонстрирован на уровне производства, хотя некоторые из них были продемонстрированы в лабораториях.

Также проводятся исследования способности наночастиц и катализаторов снижать температуру расщепления воды.

Недавно было показано, что материалы на основе металлоорганического каркаса (MOF) являются очень многообещающим кандидатом для расщепления воды дешевыми переходными металлами первого ряда .

Исследования сосредоточены на следующих циклах:

Источник