Beschleunigte Wasserstoffproduktion aus Aluminium und Meerwasser: Verbesserte Rückgewinnung von Aktivierungsmetallen

Mithilfe flüssiger Metalle ist es möglich, durch mechanochemische Aktivierung des Aluminiums Wasserstoff und Wärme aus der Aluminium-Wasser-Reaktion (AWR) zu erzeugen.1 Forscher demonstrierten eine beschleunigte Wasserstoffproduktion aus Aluminium und Meerwasser, indem sie der Lösung Beschleuniger wie Imidazol und Koffein hinzugaben.

Ziel der Studie : Rückgewinnung des Gallium-Indium-Eutektikums, das als Oberflächenbeschichtung zur Induktion der Reaktivität von Aluminium in Wasser verwendet wird.

Beschleunigte Wasserstoffproduktion aus Aluminium und Meerwasser

In dieser Studie untersuchen Forscher die Rückgewinnung von Gallium-Indium-Eutektikum (eGaIN). Dieses Material wird zur Oberflächenbehandlung von Aluminium verwendet. Ziel der Wissenschaftler ist es, es zur weiteren Aluminiumaktivierung wiederzuverwenden. Darüber hinaus untersucht die Studie, wie die Optimierung der Reaktionsbedingungen und der chemischen Beschleuniger zur effizienten Wasserstofferzeugung bei gleichzeitiger Rückgewinnung von eGaIn erfolgt.

Highlights

• Aktiviertes Aluminium reagiert mit Wasser und erzeugt Wärme, Wasserstoffgas und Aluminiumoxyhydroxid (ein ungiftiges und wertvolles Gut).
• Es handelt sich um eine kostengünstige und effiziente Methode zur Produktion und zum Transport von Wasserstoff.
• Schnelle Reaktionen treten innerhalb von 10 Minuten auf, nachdem dem Meerwasser eine kleine Menge Imidazol hinzugefügt wurde.
• Durch plötzliche Reaktionen können über 90 % des Gallium-Indium-Eutektikums gewonnen und wiederverwendet werden.
• 99 % der erwarteten Wasserstoffproduktion wurden basierend auf der Aluminiummasse erzeugt.
• Bei hohen Temperaturen wurde eine schnelle und vollständige Reaktion von Aluminium in Salzwasser beobachtet.

Um die Kosten zu senken und die Nachhaltigkeit des Prozesses zu verbessern , ist das Recycling von Indium und Gallium wichtig. Zum Schutz vor Korrosion bildet sich beim Kontakt von Aluminium mit Sauerstoff eine schützende Oxidschicht. Diese Oxidschicht muss aufgebrochen werden, um Wasserstoff mit hoher Leistungsdichte zu erzeugen.

Rolle von Gallium und Indium bei der Herstellung von grünem Wasserstoff

Die AWR (Aluminium-Wasser-Reaktion) erfolgt durch Aktivierung mit flüssigem Metalleutektikum unter Verwendung niedrigschmelzender Metalllegierungen, um das Aluminium zu schwächen. Dadurch kann Wasser in die Oxidschicht eindringen. Gallium und Indium spielen dabei eine wichtige Rolle . Gallium dringt in die Oxidschicht ein, und Indium ermöglicht es der Legierung, die Korngrenzen zu erreichen.

Darüber hinaus verringern Forscher die Duktilität und Härte des Materials durch den Rehbinder-Effekt. Dies führt zur Zerstörung von Oberflächenoxidschichten und ermöglicht es eGaIn, in das Aluminium einzudringen. Es ist wichtig, jegliche Veränderungen beim Recycling von Indium und Gallium während der Reaktion zu verhindern.

Frühere Studien belegen, dass die Rückgewinnbarkeit von eGaIn bei der Aluminiumaktivierung durch die Erhöhung der AWRs gewährleistet wird. Eine weitere Studie kommt zu dem Schluss , dass Aluminium mit Wasser reagiert und dabei Wasserstoff, Wärme und Aluminiumoxyhydroxid (AIOOH) erzeugt. Es bietet zudem eine hohe Energiedichte von 86 MJ/L, die doppelt so hoch ist wie die von Diesel und 40-mal höher als die von Lithium-Ionen-Batterien.

Etwa die Hälfte der in den AWRs freigesetzten Energie wird in Form von gasförmigem Wasserstoff freigesetzt. Die verbleibende Hälfte wird als Wärmeenergie im Bereich von 400–450 kJ/Mol Aluminium freigesetzt. Die folgende Gleichung veranschaulicht den Prozess. Q1 und Q2 stellen die bei jeder Reaktion freigesetzte Wärme dar.

• Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Gleichung 1)
• Al + 3H2O/3 · 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Gleichung 2)

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Beobachtungen und Ergebnisse

Rückgewinnung in ionischen Lösungen zur Herstellung von Wasserstoff

Nach einer zwölfstündigen Reaktion eines aktivierten Aluminiumpellets in einer 12 M NaCl-Lösung entstehen flüssige eGaIn-Partikel. Diese Bildung und Verschmelzung der Partikel setzt sich mit fortschreitender Reaktion fort.

Elektronenmikroskopische und Röntgenbeugungsanalysen (XRD) zeigen, dass die flüssige Metallphase aus einer reinen Gallium-Indium-Legierung besteht . Sie ist von hohen Konzentrationen an Aluminium und Sauerstoff umgeben.

Die Analyse der Unterschiede zwischen ionischen Lösungen, einschließlich der Molekülstruktur und Konzentrationen, steht jedoch noch aus. Dadurch werden die Reaktions- und Rückgewinnungsraten geklärt.

Die Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf der Wasserstofferzeugung. Dies umfasst AWR in verschiedenen Lösungen, beispielsweise durch Zugabe von Salzen oder Sulfaten unter isochoren Bedingungen. Es zeigt sich ein umgekehrt exponentielles Wachstumsmuster, das einen asymptotischen Grenzwert erreicht. Die Abbildung unten zeigt zwei verschiedene Regime.

• 1. Regime – Standard-AWR in deionisiertem Wasser, gekennzeichnet durch die Reaktion, die nach 30 Sekunden Induktionszeit beginnt und innerhalb von 5 Minuten abgeschlossen ist.
• 2. Regime – Es wurde bei allen chlorhaltigen Substanzen beobachtet. Es zeigt eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit und ist innerhalb von 250 bis 1250 Minuten (ca. 4 bis 21 Stunden) abgeschlossen.

Beobachtungen

• Wiederholte Experimente bestätigen, dass die Reaktion in Gegenwart von Chlor langsamer wird.
• Einige Sulfate verlangsamen die Standardreaktion: 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 und 0.25 M K2SO4.
• Andere halten hohe Reaktionsraten aufrecht, wie beispielsweise 0.5 M FeSO4 und 3 M Al2ðSO4Þ3.

Zusammenhang zwischen Verhältnissen und Reaktionsgeschwindigkeiten

Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse verschiedener Experimente, die in unterschiedlichen sulfat- und salzhaltigen Lösungen durchgeführt wurden. Ziel war es, den Zusammenhang zwischen Rückgewinnungsraten und Reaktionsraten zu analysieren.

Art der Lösung	Rückgewinnungsverhältnis (±5)	Reaktionsrate (L/min/kgAl)
3 M NaCl	100.00	2.22
0.5 M Na2SO4	97.12	3.48
0.1 M Al2 (SO4) 3	0.00	212.65
0.1 M FeSO4	0.00	1,159.42
0.1 M CaSO4	0.00	12.71
0.25 M K2SO4	80.64	3.03
0.5 M Mg SO4	100.00	5.62

Beobachtungen

• Forscher stellen eine bemerkenswerte gegenseitige Abhängigkeit fest.
• Hohe Wiederfindungsraten korrelieren mit niedrigen Reaktionsraten.
• Schnelle Reaktionen hemmen die Rückgewinnung insbesondere in Salz- und Sulfatlösungen.
• Aufgrund der direkten Reaktion des Eutektikums mit Wasser ist die Rückgewinnung in deionisiertem Wasser gering oder nicht vorhanden.
  Mit Fortschreiten der AWR wird eutektisches Material in Korngrenzen ausgestoßen, wobei die Partikelgröße zwischen Mikrometern und Millimetern liegt.
• Hohe Zetapotenzialwerte stabilisieren die Suspensionen, indem sie die effektive Abstoßung von Partikeln durch elektrostatische Kräfte erleichtern.
• Da eGaIn negativ geladen ist, zieht es positiv geladene Ionen an, deren Wiederherstellung von seinem Zetapotenzial und seiner kolloidalen Stabilität abhängt.
• Ein hoher Absolutwert der Potenzialdifferenz verhindert, dass sich die Partikel einander nähern und verschmelzen.

Dem Muster zufolge hat die Reaktionskinetik einen direkten Einfluss auf die Effizienz der eGaIn-Rückgewinnung in solchen Lösungen. Obwohl die AWR in den meisten wässrigen Medien auftritt, beeinflussen verschiedene Faktoren die Rückgewinnung der aktivierenden Elemente. Zu diesen Faktoren gehören die Ionenart und die Temperatur der Lösung.

Der Einsatz von Fahrzeugreaktoren zur Wasserstofferzeugung für Transportanwendungen scheint eine Herausforderung zu sein, wenn es um eine effiziente eGaIn-Rückgewinnung und schnelle Reaktionen geht. Höhere Wasserstoffproduktionsraten für den Antrieb von Motoren sind entscheidend.

Chemische Beschleuniger für die Produktion von grünem Wasserstoff

Ein einfacher Beschleuniger bei der Prüfung von Haushaltsprodukten, Koffein für die AWR-Ionenlösungen . Luo et al. haben in einer früheren Studie bereits die Verwendung von Koffeinkomplexen als Katalysatoren in verschiedenen Kreuzkupplungsreaktionen hervorgehoben.

Darüber hinaus wurde Koffein in jüngsten biomedizinischen Studien als Wirkstoff zur Bindung von Gallium und Aluminium eingesetzt . Dies deutet auf das Potenzial von Koffein bei der Bildung von Bindungswechselwirkungen mit Metallen hin, die am AWR-Prozess beteiligt sind.

Insgesamt zeigen die Studien, dass Koffein sicher und schnell von Molekülen aufgenommen wird. Es hat die Fähigkeit, Bindungen mit anderen Substanzen einzugehen. Dies verstärkt seine Attraktivität als wirksamer Beschleuniger in dieser Situation zusätzlich.

Beobachtungen

• Essbarer Kaffee hat eine höhere Reaktionsrate.
• Forscher isolieren Koffein, den Hauptbestandteil, und testen es dann mit einem hochwertigen Reagenz mit einer Reinheit von >99 %.
• Die Reaktionsgeschwindigkeiten und Wasserstoffausbeuten waren bei diesen verschiedenen Konzentrationen konstant. Die Reaktionszeit betrug in diesem Experiment in allen Fällen etwa 5 Minuten.

Die folgende Abbildung zeigt die Ergebnisse des Koffeintests.

Testen von Imidazol in Salzwasser

Auch Imidazol, die zyklische Komponente in der Molekülstruktur von Koffein, wurde getestet. Die Forscher prüften die Wirkung verschiedener Imidazol-Konzentrationen in Salzwasser. Dies ermöglichte ein besseres Verständnis der mikroskopischen Mechanismen, die dabei eine Rolle spielen.

Beobachtungen

• Die Reaktionsgeschwindigkeiten stiegen deutlich an, wenn unterschiedliche Mengen Imidazol hinzugefügt wurden, die zwischen 0.02 und 1 m lagen.
• Selbst bei hoher Salzkonzentration (0.6 bis 4 m NaCl) traten die Reaktionen innerhalb von 20 Minuten auf.
• Mit zunehmender Konzentration von Imidazol oder Koffein verringerten sich die eGaIn-Rückgewinnungsraten deutlich.
• Die beste Ausbeute wurde mit 33 % bei einer Konzentration von 0.001 M erreicht.
• Bei einer Reduzierung der Imidazol-Konzentration auf 90 M wurden bessere Rückgewinnungsraten von etwa 0.02 % festgestellt.

Dieses Experiment lieferte faszinierende Einblicke in den Einfluss von Verbindungen wie Imidazol und Kaffee auf die AWR in ionischen Lösungen. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt in allen Fällen durch die Anwesenheit freier Stickstoffatome, die an die Metalloberfläche binden. Darüber hinaus wurden die Rückgewinnungsraten durch die Stärke des Dipolmoments, die unterschiedliche Molekülstruktur, die unterschiedliche Geometrie und die Elektronegativität beeinflusst.

Anfängliche Temperatureffekte

Die Ausbeute an eGaIn blieb bei 80 °C in 0.6 M NaCl mit rund 90 % und bei 90 °C mit rund 77 % hoch . Diese Ergebnisse scheinen die Wasserstoffproduktion in Fahrzeugmotoren zu begünstigen. Der Rückgang der Ausbeute bei 90 °C deutet jedoch auf eine Begrenzung hin, die auf eine Temperaturschwelle schließen lässt, welche die Effizienz der eGaIn-Rückgewinnung beeinflusst. Insgesamt ist diese Erkenntnis hilfreich für die Optimierung des AWR-Verfahrens für die praktische Anwendung, insbesondere unter Bedingungen wie in Meerwasser.

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Meerwassertests, Skalierung und Wiederverwendung von eGaIn

Um die Funktionsfähigkeit des Experiments zu überprüfen, wurde Meerwasser mit und ohne Beschleuniger getestet. Die Forscher sammelten Wasser vom Revere Beach in Revere, Massachusetts, USA, der vom Atlantik gespeist wird. Die Versuche wurden mit denselben Methoden durchgeführt.

Beobachtungen

• Bei Raumtemperatur verhalten sich die 0.6 M NaCl-Lösung und echtes Meerwasser hinsichtlich der Wasserstoffproduktion und Reaktionsgeschwindigkeit ähnlich.
• Die Zugabe chemischer Beschleuniger wie Koffein oder Imidazol und das Vorwärmen des Salzwassers führten zu erhöhten Reaktionsraten.
• Die Reaktionsraten und Wiederfindungsraten blieben während des gesamten Experiments konstant.
• Die aktivierte Aluminiummasse stieg aus 50 l Meerwasserlösung auf über 5 g.
• Das Gewicht des zurückgewonnenen Materials übertraf die eGaIn-Eingangsmasse. Dies beweist erneut das Vorhandensein zusätzlicher Elemente.
• Nachdem die Reaktion 24 Stunden lang in deionisiertem Wasser stattgefunden hatte, trennte sich das eGaIn von anderen Materialien.
• Die abgetrennten eGaIn-Ionen weisen Rückgewinnungsraten von 90 % bis 100 % auf.

Anschließend wurde das zurückgewonnene Eutektikum wiederverwendet, um mehr frisches Aluminium zu aktivieren. Die während der gesamten Forschung beobachtete Konsistenz zeigte, dass Eutektikum mehrfach recycelt werden kann. Dadurch ist es möglich, durch die ionischen Lösungen mehr Aluminium zu aktivieren.

Forscher entwickeln auf innovative Weise kohlenstoffarme Kraftstoffe aus Mikroalgen, die aus Abwasser und Meerwasser gewonnen werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die eGaIn-Rückgewinnung auf der EDL-Bildung beruht. Kostensenkungen sind durch die Reaktivierung von Aluminiumpellets mit eGaIn zur Wasserstoffproduktion möglich. Meerwasser mit 0.6 M NaCl wurde bei der Hydrolyse mit Beschleunigern verwendet. Chemische Beschleuniger wie Imidazol und Koffein zeigten positive Auswirkungen auf die Reaktions- und Rückgewinnungsraten.

Darüber hinaus ist die Energiebilanz für die Wasserstoffspeicherung wichtig. Rund 2 % der gesamten Energie werden für die Aluminiumbehandlung zur Kraftstoffherstellung benötigt. Dies unterstreicht die dafür erforderliche hohe Speicherkapazität. Daher analysieren Forscher kontinuierlich die Kosten und den COXNUMX-Fußabdruck des Prozesses. Dies trägt dazu bei, die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Technologie zu bestimmen.

Quelle : Verbesserte Rückgewinnung von Aktivierungsmetallen zur beschleunigten Wasserstofferzeugung aus Aluminium und Meerwasser