Журнал для юных умов
Меню сайта

Использование компьютеров для поиска материалов, позволяющих генерировать экологически чистое топливо

Не загрязняющие окружающую среду виды топлива, такие как водород, широко рассматриваются как перспективный способ снижения экологических проблем, вызванных сжиганием ископаемого топлива. Поиск материалов, которые помогут нам генерировать эти "чистые" виды топлива, - сложный и трудоемкий процесс. Технология компьютерного моделирования - важнейший инструмент в этой области, поскольку она помогает ученым понять существующие материалы, а также разработать новые типы материалов. В этой статье мы расскажем, как некоторые материалы могут помочь нам производить водород, чистое топливо, из воды, а также о том, как технология компьютерного моделирования может открыть путь к созданию новых эффективных материалов.

Что такое источник чистой энергии?

Энергия необходима для многих действий в нашей повседневной жизни. Энергия нужна нам для просмотра телевизора, стирки одежды, приготовления пищи, освещения дома, транспортировки, отопления и охлаждения - и это только некоторые из них. Глобальное потребление энергии увеличивается в результате роста населения. Однако мир пока не испытывает недостатка в энергии, поскольку большинство наших энергетических потребностей удовлетворяется за счет сжигания ископаемого топлива. К ископаемым видам топлива относятся уголь, нефть и природный газ. К сожалению, ископаемые виды топлива не являются экологически чистыми. При сжигании ископаемого топлива выделяются загрязняющие газы, такие как двуокись углерода (CO2), которые загрязняют окружающую среду (рис. 1). Пожалуй, самым известным последствием сжигания ископаемого топлива является глобальное потепление, которое в основном вызвано выбросами CO2. CO2 задерживает солнечное тепло в атмосфере, что приводит к ежегодному повышению температуры на Земле [ 1 ]. Мы знаем, что люди и другие животные выдыхают CO2а растения поглощают CO2. Таким образом, растения могут естественным образом удалять определенное количество CO2 из атмосферы. Но сейчас в атмосфере скопилось чрезмерное количество CO2 в атмосфере, и растения уже не в состоянии справиться с этим без посторонней помощи.

Очевидно, что нам необходимо энергетическое решение, которое не будет генерировать загрязнение, вызванное CO2и другие газовые выбросы. Решением может стать чистая энергия! Чистая энергия может быть определена как источник энергии, который является экологически чистым, более устойчивым и производится из таких источников, как солнечная энергия или энергия ветра. Солнечная энергия преобразует солнечный свет в энергию для производства электричества. Энергия ветра использует движение ветра для выработки электричества. Солнечная и ветряная энергия считаются экологически чистыми, поскольку не выделяют в окружающую среду токсичных газов. Легко увидеть экологические преимущества использования экологически чистой энергии, но мы должны знать и о недостатках. В случае с солнечной энергией она в настоящее время дорога, а солнечный свет недоступен в ночное время. В случае с ветряной энергией энергия не вырабатывается, когда ветер не дует, а для использования энергии ветра требуется много земли. Поэтому важно, чтобы мы продолжали искать альтернативные чистые источники энергии, которые могли бы удовлетворить энергетические потребности нашей повседневной жизни.

Водород: Источник чистой энергии

Предпринимаются усилия по разработке новых, экологически чистых источников энергии, таких как водородное топливо, получаемое из воды. Водород считается идеальным топливом для обеспечения мировых энергетических потребностей в будущем. Водород - экологически чистое топливо, которое можно использовать для транспорта, отопления и получения электроэнергии. Кроме того, водород считается "высокоэффективным", поскольку он содержит наибольшее количество энергии по весу среди всех известных видов топлива.

Водород можно получить из воды. Химическая формула воды, H2O означает, что каждая молекула воды содержит два гидрогена (H2) и один кислород (O). Получение водорода из воды - процесс, известный как расщепление воды, - представляет собой химическую реакцию, в ходе которой вода расщепляется на кислородную и водородную составляющие при наличии достаточного количества энергии. Энергия для расщепления воды может быть получена из электричества, тепла или света с помощью специальных материалов, называемых катализаторами. Катализаторы - это, как правило, небольшие химические вещества, способные значительно снизить количество энергии, необходимой для протекания реакции, такой как расщепление воды.

Как катализаторы могут помочь нам получить водород из воды?

Как катализаторы могут помочь в расщеплении воды? Сначала эти материалы прикрепляют молекулу воды к своей поверхности, образуя химическую связь между атомом кислорода воды и поверхностными атомами катализатора. Благодаря этой связи молекула воды искажается, и ее легче расщепить на кислород и водород (рис. 2). Таким образом, материал выступает в роли катализатора - он помогает расщеплять воду, ускоряя эту реакцию. С помощью материала-катализатора молекулы, на реакцию с которыми могли бы уйти годы, могут прореагировать за считанные секунды.

Рисунок 2 - Расщепление воды - это способ получения водородного топлива путем разложения воды на составляющие - водород (H2) и кислород (O).

Ключ к выбору эффективного материала-катализатора лежит в количестве энергии, необходимой для первоначального присоединения молекулы воды к материалу, а также в количестве энергии, необходимой для расщепления молекулы воды. Чем меньше энергии требуется для присоединения и расщепления, тем лучше катализатор. За последнее десятилетие было исследовано множество материалов в качестве катализаторов расщепления воды [ 2 ]. Одним из первых материалов, катализирующих расщепление воды с получением водорода, был диоксид титана (TiO).2). После этого многие ученые по всему миру посвятили свое время созданию и описанию различных типов материалов для каталитического расщепления воды. Но разработка новых и совершенных материалов чрезвычайно сложна и трудна для понимания. Когда исследователи пытаются создать новый материал, можно использовать множество химических элементов в различных комбинациях. Таким образом, существует бесконечное множество возможностей, и эти исследования занимают очень много времени. Кроме того, исследователи могут потратить много времени на разработку нового катализатора, а потом обнаружить, что материал не стабилен или не способен расщеплять воду! Поэтому нам необходимо найти более эффективный способ определения потенциальных катализаторов.

Важность компьютерного моделирования

Важнейшим инструментом, помогающим ученым лучше понять, как разрабатывать новые материалы, является компьютер. Компьютерные программы содержат группы инструкций, которые обычно используются для решения задач или для того, чтобы сделать большие задачи меньше и проще. За последние несколько лет технология компьютерного моделирования сыграла важную роль в исследованиях в области материаловедения. С помощью методов компьютерного моделирования мы можем искать новые материалы, способные катализировать расщепление воды.

Компьютеры можно использовать для моделирования процесса расщепления воды с помощью потенциального нового катализатора, чтобы проверить, насколько эффективен материал катализатора (рис. 3). Компьютерное моделирование может детально показать исследователям, что происходит на поверхности материала катализатора, выявить взаимодействие между материалом катализатора и молекулами воды. Компьютеры могут рассчитать прочность связывания и совместимость молекул воды с потенциальным материалом катализатора. Сначала исследователи предоставляют компьютеру информацию о составе потенциального материала катализатора. Компьютер рассматривает все возможные места, где молекулы воды могут прикрепиться к поверхности материала. Затем компьютер вычисляет сумму всех химических связей между водой и материалом, а затем предсказывает наиболее вероятное место, где вода свяжется с поверхностью материала. Компьютер предоставляет исследователям множество данных о геометрии молекулы воды, когда она прикрепляется к поверхности катализатора, а также о геометрии воды, когда она расщепляется с образованием водорода. Компьютер также может рассчитать энергию, необходимую для расщепления воды.

Рисунок 3 - Технология компьютерного моделирования может помочь исследователям легче определить и разработать новые материалы для катализаторов.

Хороший катализатор - это тот, который ускоряет процесс расщепления воды и делает его более эффективным. Эффективный катализатор должен связывать молекулы воды достаточно прочно, чтобы молекулы могли присоединиться, но не настолько прочно, чтобы водород и кислород остались после расщепления воды. Например, серебро не является хорошим катализатором, потому что взаимодействие между молекулами воды и серебра слабое. С другой стороны, вольфрам тоже не является хорошим катализатором, потому что вода прикрепляется к нему слишком сильно. Платина и никель - хорошие катализаторы, потому что они достаточно прочно прикрепляются к воде, чтобы удержать молекулы воды и расщепить ее. За последние несколько десятилетий появились и другие типы материалов, менее дорогие и более стабильные. Оксидные материалы на основе железа, кобальта и никеля, а также материалы, содержащие сульфид, селенид и фосфид, оказались хорошими материалами для получения водорода из воды [ 3 ].

Среди различных материалов, недавно предложенных в качестве хорошего катализатора для расщепления воды, оксигидроксид никеля-железа (NiFeOOH) является одним из самых эффективных. Недавно наша группа, специализирующаяся на определении характеристик материалов с помощью компьютеров [ 4 ], выяснила, почему NiFeOOH может так эффективно расщеплять воду: он прикрепляет воду к участкам материала, содержащим железо [ 5 ]. Компьютерное моделирование показало нам, что железо является особенно важной частью материала, поскольку оно позволяет воде расщепляться без затрат энергии.

Резюме

Расщепление воды - перспективный подход к получению чистого водородного топлива, не загрязняющего окружающую среду и не способствующего глобальному потеплению. Расщепление молекул воды в присутствии катализатора - полезный способ получения водорода, но разработка и тестирование таких катализаторов - долгий и сложный процесс. Компьютеры могут помочь! Прелесть компьютерного моделирования в том, что оно гораздо быстрее, чем физические испытания всех потенциальных материалов катализатора. С помощью компьютеров исследователи могут наблюдать за процессом реакции расщепления воды, чтобы определить, какой материал катализатора наиболее эффективен. Используя технологию компьютерного моделирования, мы сможем разработать больше материалов, которые можно будет использовать для получения чистых источников энергии, не наносящих вреда окружающей среде. Чистая энергия в конечном итоге уменьшит последствия глобального потепления и принесет пользу всему обществу.

Это интересно: