Команда Северо-Западного университета под руководством Криса Волвертона обнаружила, что электронная энтропия церия, которая создается, когда электрон переходит между различными состояниями внутри электронной оболочки, является основной причиной ее успеха. Это открытие может помочь исследователям лучше использовать энтропию церия для технологий разделения воды.«Чтобы расщепление воды было достаточно быстрым и практичным, вам потребуется большое количество энтропии», — сказал Волвертон, профессор материаловедения и инженерии в Северо-западной инженерной школе Маккормика. «Оказывается, церий — это магия энтропии».Исследование, проведенное при поддержке Министерства энергетики США, недавно было опубликовано в Nature Communications.
Шахаб Нагхави, научный сотрудник исследовательской группы Wolverton Research Group, был первым автором статьи.С 1970-х годов исследователи рекламировали потенциал «водородной экономики», в которой водород заменит бензин в качестве топлива для наземного транспорта. Единственным побочным продуктом водорода при сжигании является вода, что делает его экологически чистым и более энергоэффективным, чем его альтернативы на ископаемом топливе.
Однако чистый водородный газ очень редко встречается в атмосфере Земли.«Проблема в том, как вообще получить водород?» — спросил Волвертон. «В настоящее время необходимо сжигать углеводороды, но при этом образуется углекислый газ».
Разделение воды (или пара) могло бы чисто и эффективно производить достаточно чистого водорода, чтобы сделать водородную экономию реальной возможностью. Чтобы отделить водород от кислорода, исследователи используют тепло, выделяемое солнечным излучением и оксидом церия, или церием. Использование солнечного света для нагрева церия до 1000-1500 градусов Цельсия запускает серию реакций, которые вызывают отщепление водорода.Волвертон и другие ранее знали, что энтропия является ключом к тому, чтобы сделать эту реакцию возможной, но они не смогли найти источник энтропии церия. «Большинство людей думали, что энтропия вызывается смешиванием кислорода или вибрациями от тепла», — сказал Волвертон. «Но мы обнаружили, что это другой источник, и это не то, о чем вы могли подумать».
Чтобы химическая реакция, приводящая к расщеплению воды, была успешной, церий в оксиде должен получить электрон. И этот единственный электрон порождает огромное количество энтропии.
«Если у электрона есть несколько мест, это приводит к электронной энтропии», — объяснил Волвертон. «Электрон может переходить из одного состояния в другое и создавать беспорядок в электронном масштабе и, следовательно, энтропию».Семейство элементов церия, известное как редкоземельные элементы, естественно, имеет больше электронных состояний, вокруг которых электрон может двигаться. Команда Вулвертона вычислила электронную энтропию всех 17 редкоземельных элементов и обнаружила, что церий демонстрирует наибольшее количество.
«В течение долгого времени мы знали, что церий хорош для расщепления воды, но мы не совсем понимали, почему», — сказал Волвертон. «Теперь мы частично знаем почему, и это открывает возможности для будущей работы».