Nestemäisten metallien avulla on mahdollista tuottaa vetyä ja lämpöä alumiini-vesi-reaktiosta (AWR) alumiinin mekaanisen kemiallisen aktivoinnin avulla. 1 Tutkijat osoittivat kiihdytetyn vedyn tuotannon alumiinista ja merivedestä lisäämällä liuokseen kiihdyttimiä, kuten imidatsolia ja kofeiinia.
Tutkimuksen tavoite: Gallium-indiumeutektisen aineen talteenotto, jota käytetään pintapinnoitteena indusoimaan alumiinin reaktiivisuutta vedessä.
Nopeutettu vedyn tuotanto alumiinista ja merivedestä
Tässä tutkimuksessa tutkijat tarkastelevat gallium-indiumeutektin (eGaIN) talteenottoa. Tätä materiaalia käytetään alumiinin pintakäsittelyyn. Tutkijat pyrkivät käyttämään tätä materiaalia uudelleen alumiinin aktivoimiseen. Lisäksi tutkimuksessa arvioidaan, kuinka reaktio-olosuhteet ja kemialliset kiihdyttimet optimoidaan vedyn tuottamiseksi tehokkaasti samalla kun eGaIn otetaan talteen.
Poimintoja
- Aktivoitu alumiini reagoi veden kanssa ja tuottaa lämpöä, vetykaasua ja alumiinioksihydroksidia (myrkytön ja arvokas hyödyke).
- Se on kustannustehokas ja tehokas menetelmä vedyn tuotantoon ja kuljetukseen.
- Nopeat reaktiot tapahtuvat alle 10 minuutissa sen jälkeen, kun pieni määrä imidatsolia on lisätty meriveteen.
- Äkilliset reaktiot mahdollistavat yli 90 % gallium-indiumeutektiikasta hakemisen ja uudelleenkäytön.
- Odotetusta vedystä 99 % tuotettiin alumiinin massan perusteella.
- Alumiinin nopea ja täydellinen reaktio suolavedessä havaittiin, kun reaktio suoritettiin korkeissa lämpötiloissa.
Myös, vähentää kustannuksia ja parantaa prosessin kestävyyttä, indiumin ja galliumin kierrätys on tärkeää. Korroosion estämiseksi alumiinin joutuessa kosketuksiin hapen kanssa muodostuu suojaava oksidikerros. Tämä oksidikerros on hajotettava, jotta voidaan tuottaa vetyä, jolla on suuri tehotiheys.
Galliumin ja indiumin rooli vihreän vedyn tuotannossa
AWR tapahtuu, kun aktivointi nestemäisellä metallieutektiikalla käyttää matalan sulamispisteen metalliseoksia heikentämään alumiinia. Tämä mahdollistaa veden tunkeutumisen oksidikerroksen läpi. Tässä, galliumilla ja indiumilla on tärkeä rooli. Gallium pääsee oksidikerrokseen ja indium päästää lejeeringin raerajoille.
Lisäksi tutkijat vähentävät materiaalin taipuisuutta ja kovuutta Rehbinder-ilmiön avulla. Se johtaa pinnan oksidikalvojen hajoamiseen ja mahdollistaa eGaInin tunkeutumisen alumiinin läpi. On tärkeää estää kaikki muutokset kierrätettäessä indiumia ja galliumia reaktion aikana.
Kuten per aikaisemmat opinnoteGaIn:n talteenotto alumiiniaktivoinnissa varmistetaan tehostamalla AWR:iä. Toinen tutkimus päättää että alumiini reagoi veden kanssa ja tuottaa vetyä, lämpöä ja alumiinioksihydroksidia (AIOOH). Se tarjoaa myös korkean energiatiheyden, 86 MJ/L, mikä on kaksi kertaa niin paljon kuin diesel ja 40 kertaa enemmän kuin Li-ion-akut.
Noin puolet AWR:ien energiasta vapautuu kaasumaisena vedyn muodossa. Loput puolikkaat vapautuvat lämpöenergiana 400-450 kJ moolia alumiinia. Tässä on yhtälö prosessin havainnollistamiseksi. Q1 ja Q2 edustavat kunkin reaktion vapauttamaa lämpöä.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (yhtälö 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (yhtälö 2)
Jättiläinen energiavarasto hiilinanoputkiköysiin kuin litiumakut, sanoo tutkimus
Havainnot ja tulokset
Palautus Ionic Solutionsissa tuottamaan vetyä
Aktivoidun alumiinipelletin 12 tunnin reaktion jälkeen 3.9 M NaCl-liuoksessa ilmaantuu nestemäisiä eGaIn-hiukkasia. Nämä muodostumat ja näiden hiukkasten sulautuminen jatkuivat reaktion edetessä.
Elektronimikroskooppi- ja röntgendiffraktioanalyysit (XRD) osoittavat tämän nestemäisessä metallifaasissa on puhdasta gallium-indium-seosta. Sitä ympäröi korkeat alumiini- ja happipitoisuudet.
Analyysi ioniliuosten välisten erojen ymmärtämiseksi, mukaan lukien molekyylirakenne ja pitoisuudet, on kuitenkin vielä tekemättä. Tämä tyhjentää reaktionopeudet ja talteenottonopeudet.
Kuvassa näkyy vedyn tuotannon eteneminen ajan myötä. Tämä sisältää AWR:n erilaisissa liuoksissa, kuten suolojen tai sulfaattien lisäämisessä isokorisissa olosuhteissa. On olemassa käänteinen eksponentiaalinen kasvukuvio, joka saavuttaa asymptoottisen rajan. Alla oleva kuva näyttää 2 erilaista järjestelmää.
- 1. järjestelmä – Normaali AWR DI-vedessä, jolle on tunnusomaista reaktio, joka alkaa 30 sekunnin induktioajan jälkeen ja päättyy 5 minuutissa.
- 2. järjestelmä – Se havaittiin kaikissa klooria sisältävissä aineissa. Se osoittaa hidasta reaktionopeutta ja valmistuu 250-1250 minuutissa (noin 4-21 tunnissa).
Havainnot
- Toistetut kokeet vahvistavat, että reaktio hidastuu kloorin läsnä ollessa.
- Jotkut sulfaatit hidastavat standardireaktiota 0.5 M MgS4, 0.5 M CaS4, 0.5 M Na2S4 ja 0.25 M K2SO4.
- Toiset ylläpitävät korkeita reaktionopeuksia, kuten 0.5 M FeSO4 ja 3 M Al2ðSO4Þ3.
Suhdesuhteiden ja reaktionopeuden välinen suhde
Alla oleva taulukko näyttää tulokset erilaisista kokeista, jotka on suoritettu erilaisilla sulfaatteja ja suoloja sisältävillä liuoksilla. Tämän tarkoituksena oli analysoida talteenottosuhteiden ja reaktionopeuksien välistä suhdetta.
| Ratkaisun tyyppi | Palautussuhde (±5) | Reaktionopeus (l/min/kgAl) |
| 3 M NaCl | 100.00 | 2.22 |
| 0.5 M Na2S4 | 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 CaS4 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25 M K2SO4 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5 M MgS4 | 100.00 | 5.62 |
Havainnot
- Tutkijat havaitsevat huomattavan keskinäisen riippuvuuden.
- Korkeat talteenottosuhteet korreloivat alhaisten reaktionopeuksien kanssa.
- Nopeat reaktiot estävät talteenottoa erityisesti suola- ja sulfaattiliuoksissa.
- Talteenotto DI-vedessä on vähäistä tai sitä ei ole ollenkaan, koska eutektiikka reagoi suoraan veden kanssa.
AWR:n edetessä eutektinen materiaali raerajoissa, jotka poistetaan hiukkasten kokoina, vaihtelee mikrometreistä millimetreihin. - Korkeat zeta-potentiaaliarvot stabiloivat suspensioita helpottamalla hiukkasten tehokasta hylkimistä sähköstaattisten voimien kautta.
- eGaIn, joka on negatiivisesti varautunut, vetää puoleensa positiivisesti varautuneita ioneja, joiden palautuminen riippuu sen zeta-potentiaalista ja kolloidisesta stabiilisuudesta.
- Potentiaalieron korkea absoluuttinen arvo estää hiukkasia lähestymästä toisiaan sulautumaan.
Kuvion mukaan reaktiokinetiikalla on suora vaikutus eGaInin talteenoton tehokkuuteen tällaisissa ratkaisuissa. Vaikka AWR esiintyy useimmissa vesipitoisissa väliaineissa, useat tekijät vaikuttavat aktivoivien elementtien talteenottoon. Näitä tekijöitä ovat ionilajit ja liuoksen lämpötila.
Ajoneuvon sisäisten reaktorien käyttö vedyn tuottamiseen kuljetussovelluksissa vaikuttaa haastavalta tehokkaan eGaIn-talteenoton ja nopeiden reaktioiden saavuttamisessa. Se on ratkaisevan tärkeää suuremmille vedyn tuotantomäärille moottoreiden tehostamiseksi.
Kemialliset kiihdyttimet Green Hydrogen Productionille
Yksinkertainen kiihdytin kotitaloustuotteiden testaukseen, kofeiinia AWR-ioniliuoksille. Luo et ai. aiemmassa tutkimuksessa jo korosti kofeiinikompleksien käyttöä katalyytteinä erilaisissa ristikytkentäreaktioissa.
Lisäksi viimeaikaiset biolääketieteelliset tutkimukset ovat käyttäneet kofeiinia aineena gallium ja alumiini. Se osoittaa kofeiinin potentiaali sidosvuorovaikutuksissa AWR-prosessiin osallistuvien metallien kanssa.
Kaiken kaikkiaan tutkimukset osoittavat, että kofeiinin ominaisuudet ovat turvallisia ja imevät nopeasti molekyylejä. Niillä on kyky muodostaa sidoksia muiden aineiden kanssa. Tämä vahvistaa entisestään sen houkuttelevuutta toimivana kiihdyttimenä tässä tilanteessa.
Havainnot
- Syötävällä kahvilla on korkeampi reaktionopeus.
- Tutkijat eristävät kofeiinin, pääkomponentin, ja testaavat sen sitten käyttämällä korkealaatuista reagenssilaatua >99%.
- Reaktionopeudet ja vedyn saannot osoittivat yhdenmukaisuutta näissä eri pitoisuuksissa. Reaktioaika tässä kokeessa oli noin 5 minuuttia kaikissa tapauksissa.
Seuraava kuva esittää kofeiinin testauksen tulokset.
Imidatsolin testaus suolavedessä
Myös kofeiinin molekyylirakenteessa oleva syklinen komponentti imidatsoli testattiin. Tutkijat testasivat imidatsolin eri pitoisuuksien vaikutusta suolavedessä. Se tarjosi paremman ymmärryksen pelissä olevista mikroskooppisista mekanismeista.
Havainnot
- Reaktionopeudet kasvoivat merkittävästi, kun eri määriä imidatsolia lisättiin, vaihteluvälillä 0.02 - 1 m.
- Jopa korkealla suolapitoisuudella (0.6-4 m NaCl) reaktiot tapahtuivat 20 minuutissa.
- Imidatsolin tai kofeiinin pitoisuuksien kasvaessa eGaIn-palautussuhteet laskivat huomattavasti.
- Paras saanto saavutettiin 33 %:lla, joka saatiin pitoisuudella 0.001 M.
- Paremmat, noin 90 %:n talteenottosuhteet havaittiin imidatsolilla, kun sen pitoisuus laskettiin 0.02 M:iin.
Tämän kokeen avulla paljastettiin kiehtovia oivalluksia yhdisteiden, kuten imidatsolin ja kahvin, vaikutuksesta AWR:ään ioniliuoksissa. Reaktionopeudet kasvavat kaikissa tapauksissa, kun metallien pintaan sitoutuu vapaita typpiatomeja. Lisäksi talteenottosuhteisiin vaikuttivat dipolimomentin voimakkuus, monimuotoinen molekyylirakenne, vaihteleva geometria ja elektronegatiivisuus.
Alkulämpötilan vaikutukset
eGaInin elpyminen pysyi korkealla tasolla noin 90 % 0.6 M NaCl:ssa 80 °C:ssa ja noin 77 % 90 °C:ssa. Tällaiset tulokset näyttävät kannustavan vedyn tuotantoon ajoneuvojen moottoreissa. Kuitenkin talteenoton lasku 90 °C:ssa osoittaa rajoituksen, joka viittaa lämpötilan kynnyksen olemassaoloon, joka vaikuttaa eGaInin talteenottotehokkuuteen. Kaiken kaikkiaan tämä näkemys on hyödyllinen AWR-prosessin optimoinnissa käytännön sovelluksiin, erityisesti sellaisissa skenaarioissa kuin merivesiolosuhteet.
Mielenkiintoista on miten Pronssikauden tulenkestävä tiiliteknologia voisi tasoittaa kohtuuhintaista tietä nettonollapäästöihin 149 maassa.
Meriveden testaus, skaalaus ja eGaInin uudelleenkäyttö
Kokeen toimivuuden varmistamiseksi merivettä testattiin kiihdyttimien kanssa ja ilman. Tutkijat keräsivät vettä Revere Beachiltä Reveressä, MA:ssa Yhdysvalloissa, jota Atlantin valtameri ruokkii. Kokeet suoritettiin samoilla menetelmillä.
Havainnot
- Huoneenlämpötilassa 0.6 M NaCl-liuoksella ja todellisella merivedellä on samanlainen käyttäytyminen vedyn tuotannon ja reaktionopeuden suhteen.
- Kemiallisten kiihdyttimien, kuten kofeiinin tai imidatsolin, lisääminen ja suolaveden esikuumennus johtivat lisääntyneeseen reaktionopeuteen.
- Tasaiset reaktionopeudet ja talteenottosuhteet pysyivät samana koko kokeen ajan.
- Aktivoitu alumiinimassa nousi yli 50 grammaan 5 litran merivesiliuoksesta.
- Talteen otetun materiaalin paino oli suurempi kuin eGaIn-syöttömassa. Se todistaa lisäksi lisäelementtien olemassaolon.
- Kun reaktio oli tapahtunut DI-vedessä 24 tuntia, eGaIn erottui muista materiaaleista.
- Erotettujen eGaInien palautussuhteet ovat 90 %:sta 100 %:iin.
Sen jälkeen talteen otettu eutektiikka käytettiin uudelleen aktivoimaan lisää tuoretta alumiinia. Koko tutkimuksen aikana havaittu johdonmukaisuus osoitti, että eutektiikkaa voidaan kierrättää useita kertoja. Tämän avulla on mahdollista aktivoida enemmän alumiinia ioniliuosten ansiosta.
Tutkijat ovat innovatiivisia vähähiilisten polttoaineiden luominen mikrolevillä jäte- ja merivedestä.
Yhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että eGaIn-palautus perustuu EDL-muodostukseen. Kustannusten alentaminen on mahdollista, koska alumiinipelletit aktivoidaan uudelleen eGaIn:llä vedyn tuotantoa varten. Merivettä, jossa oli 0.6 M NaCl:a, käytettiin hydrolyysissä kiihdyttimien kanssa. Kemialliset kiihdyttimet, kuten imidatsoli ja kofeiini, osoittivat positiivisia vaikutuksia reaktio- ja palautumisnopeuksiin.
Lisäksi energiatasapaino on tärkeä vedyn varastoinnin kannalta. Noin 2 % kokonaisenergiantuotannosta tarvitaan alumiinin käsittelyyn polttoaineen tuotannossa. Se korostaa edelleen sen vaatimaa suurta tallennuskapasiteettia. Siksi tutkijat analysoivat jatkuvasti prosessin kustannuksia ja hiilijalanjälkeä. Tämä auttaa määrittämään teknologian taloudellisen kannattavuuden ja kestävyyden.
Lähde: Tehostettu aktivointimetallien talteenotto nopeuttaa vedyn tuotantoa alumiinista ja merivedestä
