Utilizando metales líquidos, es posible generar hidrógeno y calor a partir de la reacción aluminio-agua (AWR) mediante la activación mecanoquímica del aluminio. 1 Los investigadores demostraron una producción acelerada de hidrógeno a partir de aluminio y agua de mar añadiendo aceleradores como imidazol y cafeína a la solución.
Objetivo del estudio:Para recuperar el eutéctico de galio-indio utilizado como recubrimiento de superficie para inducir la reactividad del aluminio en el agua.
Producción acelerada de hidrógeno a partir de aluminio y agua de mar
En este estudio, los investigadores examinan la recuperación del eutéctico de galio-indio (eGaIN). Este material se utiliza para el tratamiento superficial del aluminio. El objetivo de los científicos es reutilizarlo para una mayor activación del aluminio. Además, el estudio evalúa cómo se optimizan las condiciones de reacción y los aceleradores químicos para generar hidrógeno eficientemente mientras se recupera eGaIn.
Destacados
- El aluminio activado reacciona con el agua y genera calor, gas hidrógeno y oxihidróxido de aluminio (un producto no tóxico y valioso).
- Es un método rentable y eficiente de producción y transporte de hidrógeno.
- Las reacciones rápidas ocurren menos de 10 minutos después de agregar una pequeña cantidad de imidazol al agua de mar.
- Las reacciones repentinas permiten la recuperación y reutilización de más del 90% del eutéctico de galio-indio.
- El 99% de la producción de hidrógeno prevista se produjo con base en la masa de aluminio.
- Se observó una reacción rápida y completa del aluminio en agua salada cuando la reacción se llevó a cabo a altas temperaturas.
También, Para reducir costes y mejorar la sostenibilidad del procesoEl reciclaje de indio y galio es importante. Para prevenir la corrosión, se forma una capa protectora de óxido cuando el aluminio entra en contacto con el oxígeno. Esta capa de óxido debe romperse para generar hidrógeno con altas densidades de potencia.
El papel del galio y el indio en la producción de hidrógeno verde
La AWR se produce cuando la activación con eutéctico de metal líquido utiliza aleaciones metálicas de bajo punto de fusión para debilitar el aluminio. Esto permite que el agua penetre en la capa de óxido. En este caso, El galio y el indio tienen papeles importantesEl galio entra en la capa de óxido y el indio permite que la aleación alcance los límites del grano.
Además, los investigadores reducen la ductilidad y la dureza del material mediante el efecto Rehbinder. Esto provoca la ruptura de las películas de óxido superficiales y permite que el eGaIn penetre en el aluminio. Es importante evitar cualquier cambio durante el reciclaje del indio y el galio durante la reacción.
Según estudios previosLa recuperabilidad de eGaIn en la activación de aluminio se garantiza mejorando los AWR. Otro estudio concluye El aluminio reacciona con el agua y produce hidrógeno, calor y oxihidróxido de aluminio (AIOOH). Además, ofrece una alta densidad energética de 86 MJ/L, el doble que el diésel y 40 veces más que las baterías de iones de litio.
Aproximadamente la mitad de la energía involucrada en los reactores de agua aluvial (AWR) se libera en forma de hidrógeno gaseoso. La otra mitad se libera como energía térmica, que oscila entre 400 y 450 kJ mol de aluminio. La siguiente ecuación ilustra el proceso. Q1 y Q2 representan el calor liberado por cada reacción.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Ecuación 1)
- Al + 3H2O/3·2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Ecuación 2)
Observaciones y Resultados
Recuperación en soluciones iónicas para producir hidrógeno
Tras una reacción de 12 horas de un pellet de aluminio activado en una solución de NaCl 3.9 M, emergen partículas líquidas de eGaIn. Estas formaciones y la fusión de estas partículas continuaron a medida que avanzaba la reacción.
Los análisis de microscopía electrónica y difracción de rayos X (DRX) muestran que La fase de metal líquido tiene una aleación pura de galio-indio.. Altas concentraciones de aluminio y oxígeno lo rodean.
Sin embargo, aún queda por realizar el análisis para comprender las diferencias entre las soluciones iónicas, incluyendo la estructura molecular y las concentraciones. Esto aclarará las tasas de reacción y recuperación.
La figura muestra la progresión de la generación de hidrógeno a lo largo del tiempo. Esto incluye la generación de hidrógeno en diferentes soluciones, como la adición de sales o sulfatos en condiciones isocóricas. Se observa un patrón de crecimiento exponencial inverso que alcanza un límite asintótico. La imagen a continuación muestra dos regímenes diferentes.
- 1er régimen – AWR estándar en agua DI caracterizado por la reacción que comienza después de 30 segundos de tiempo de inducción y se completa en 5 minutos.
- 2º régimen Se observó en todas las sustancias que contienen cloro. Muestra una velocidad de reacción lenta y se completa en un plazo de 250 a 1250 minutos (aproximadamente de 4 a 21 horas).
Observaciones
- Experimentos repetidos confirman que la reacción se ralentiza con la presencia de cloro.
- Algunos sulfatos desaceleran la reacción estándar: 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 y 0.25 M K2SO4.
- Otros mantienen altas tasas de reacción, como 0.5 M FeSO4 y 3 M Al2ðSO4Þ3.
Relación entre proporciones y velocidades de reacción
La siguiente tabla muestra los resultados de diversos experimentos realizados en diversas soluciones con sulfatos y sales. El objetivo fue analizar la relación entre las tasas de recuperación y las velocidades de reacción.
| Tipo de solución | Tasa de recuperación (±5) | Velocidad de reacción (L/min/kgAl) |
| NaCl 3 M | 100.00 | 2.22 |
| 0.5 M de 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 de CaSO4 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25 M de K2SO4 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5 M de MgSO4 | 100.00 | 5.62 |
Observaciones
- Los investigadores encuentran una interdependencia notable.
- Las altas tasas de recuperación se correlacionan con bajas tasas de reacción.
- Las reacciones rápidas inhiben particularmente la recuperación en soluciones de sal y sulfato.
- La recuperación en agua DI es baja o inexistente debido a la reacción directa del eutéctico con el agua.
Con la progresión de AWR, el material eutéctico en los límites de grano se expulsa a medida que el tamaño de las partículas varía desde micrómetros a milímetros. - Los altos valores de potencial zeta estabilizan las suspensiones facilitando la repulsión efectiva de partículas a través de fuerzas electrostáticas.
- El eGaIn, al estar cargado negativamente, atrae iones cargados positivamente que dependen de sus potenciales zeta y de su estabilidad coloidal para su recuperación.
- Un alto valor absoluto de diferencia de potencial impide que las partículas se acerquen entre sí para la coalescencia.
Según el patrón, la cinética de la reacción influye directamente en la eficiencia de la recuperación de eGaIn en dichas soluciones. Si bien la AWR se produce en la mayoría de los medios acuosos, diversos factores afectan la recuperación de los elementos activadores. Estos factores incluyen las especies iónicas y la temperatura de la solución.
El uso de reactores vehiculares para generar hidrógeno en aplicaciones de transporte parece un desafío para lograr una recuperación eficiente de eGaIn y reacciones rápidas. Es crucial para lograr mayores tasas de producción de hidrógeno para impulsar motores.
Aceleradores químicos para la producción de hidrógeno verde
Un acelerador simple en las pruebas de productos domésticos, cafeína para las soluciones iónicas AWR. Luo et al. en un estudio previo Ya se ha hecho hincapié en el uso de complejos de cafeína como catalizadores en diversas reacciones de acoplamiento cruzado.
Además, estudios biomédicos recientes han utilizado la cafeína como agente para galio y aluminio. Esto indica El potencial de la cafeína en las interacciones de unión con metales involucrados en el proceso AWR.
En general, los estudios demuestran que la cafeína se caracteriza por su seguridad y rápida absorción molecular. Tiene la capacidad de unirse con otras sustancias. Esto refuerza su atractivo como acelerador viable en esta situación.
Observaciones
- El café comestible tiene una tasa de reacción más alta.
- Los investigadores aíslan la cafeína, el componente principal, y luego la analizan utilizando un reactivo de alta calidad de grado >99%.
- Las velocidades de reacción y la producción de hidrógeno fueron constantes en las diferentes concentraciones. El tiempo de reacción en este experimento fue de aproximadamente 5 minutos en todos los casos.
La siguiente figura muestra los resultados de la prueba de cafeína.
Prueba de imidazol en agua salada
También se analizó el imidazol, el componente cíclico presente en la estructura molecular de la cafeína. Los investigadores analizaron el efecto de diversas concentraciones de imidazol en agua con sal. Esto permitió comprender mejor los mecanismos microscópicos involucrados.
Observaciones
- Las velocidades de reacción aumentaron significativamente cuando se agregaron diferentes cantidades de imidazol, que oscilaron entre 0.02 y 1 m.
- Incluso con una alta concentración de sal (0.6 a 4 m de NaCl), las reacciones se produjeron en 20 minutos.
- Al aumentar las concentraciones de imidazol o cafeína, los índices de recuperación de eGaIn disminuyeron notablemente.
- La mejor recuperación se logró con un 33% obtenido a una concentración de 0.001 M.
- Se observaron mejores índices de recuperación de alrededor del 90% con imidazol cuando su concentración se redujo a 0.02 M.
Este experimento reveló información fascinante sobre la influencia de compuestos como el imidazol y el café en la AWR en soluciones iónicas. Las velocidades de reacción aumentan en todos los casos con la presencia de átomos de nitrógeno libres unidos a la superficie de los metales. Además, las tasas de recuperación se vieron afectadas por la intensidad del momento dipolar, la diversidad de la estructura molecular, la variación geométrica y la electronegatividad.
Efectos iniciales de la temperatura
La recuperación de eGaIn se mantuvo alta en alrededor del 90% en NaCl 0.6 M a 80° C y alrededor del 77% a 90° C. Estos resultados parecen fomentar la producción de hidrógeno en motores de vehículos. Sin embargo, una disminución en la recuperación a 90 °C indica una limitación que sugiere la presencia de un umbral de temperatura que afecta la eficiencia de recuperación de eGaIn. En general, este conocimiento resulta útil para optimizar el proceso AWR para su aplicación práctica, especialmente en escenarios como las condiciones de agua de mar.
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Pruebas de agua de mar, ampliación y reutilización de eGaIn
Para verificar la operatividad del experimento, se analizó agua de mar con y sin aceleradores. Los investigadores recolectaron agua de la playa Revere en Revere, Massachusetts, EE. UU., que recibe agua del océano Atlántico. Los ensayos se realizaron con los mismos métodos.
Observaciones
- A temperatura ambiente, la solución de NaCl 0.6 M y el agua de mar real tienen un comportamiento similar en términos de producción de hidrógeno y velocidad de reacción.
- La adición de aceleradores químicos como la cafeína o el imidazol y el precalentamiento del agua salada dieron como resultado mayores velocidades de reacción.
- Las tasas de reacción y las relaciones de recuperación se mantuvieron constantes durante todo el experimento.
- La masa de aluminio activado aumentó a más de 50 g a partir de una solución de agua de mar de 5 L.
- El peso del material recuperado fue mayor que la masa de entrada de eGaIn. Esto demuestra además la presencia de elementos adicionales.
- Después de que la reacción tuvo lugar en agua DI durante 24 horas, el eGaIn se separó de otros materiales.
- Los eGaIn separados tienen índices de recuperación del 90% al 100%.
Posteriormente, el eutéctico recuperado se reutilizó para activar más aluminio fresco. La consistencia observada a lo largo de la investigación demostró la posibilidad de reciclar el eutéctico varias veces. De esta manera, es posible activar más aluminio gracias a las soluciones iónicas.
Los investigadores son innovadores Creación de combustibles bajos en carbono con microalgas procedentes de aguas residuales y agua de mar.
Conclusión
En conclusión, la recuperación de eGaIn depende de la formación de EDL. La reactivación de pellets de aluminio con eGaIn para la producción de hidrógeno permite reducir costos. Se utilizó agua de mar con 0.6 M de NaCl en la hidrólisis con aceleradores. Los aceleradores químicos como el imidazol y la cafeína mostraron un impacto positivo en las tasas de reacción y recuperación.
Además, el balance energético es importante para el almacenamiento de hidrógeno. Alrededor del 2% de la producción total de energía se requiere para el tratamiento del aluminio para la producción de combustible. Esto resalta aún más la alta capacidad de almacenamiento que requiere. Por lo tanto, los investigadores analizan continuamente el costo y la huella de carbono del proceso. Esto ayudará a determinar la viabilidad económica y la sostenibilidad de la tecnología.
