En utilisant des métaux liquides, il est possible de générer de l'hydrogène et de la chaleur à partir de la réaction aluminium-eau (AWR) par activation mécanochimique de l'aluminium. 1 Les chercheurs ont démontré une production accélérée d'hydrogène à partir d'aluminium et d'eau de mer en ajoutant des accélérateurs comme l'imidazole et la caféine à la solution.
Objectif de l'étude : Récupérer l'eutectique gallium-indium utilisé comme revêtement de surface pour induire la réactivité de l'aluminium dans l'eau.
Production accélérée d'hydrogène à partir d'aluminium et d'eau de mer
Dans cette étude, les chercheurs examinent la récupération de l'eutectique gallium-indium (eGaIN). Ce matériau est utilisé pour le traitement de surface de l'aluminium. Les scientifiques souhaitent le réutiliser pour une activation ultérieure de l'aluminium. De plus, l'étude évalue comment l'optimisation des conditions de réaction et des accélérateurs chimiques permet de générer efficacement de l'hydrogène tout en récupérant l'eGaIn.
Points forts
- L'aluminium activé réagit avec l'eau et génère de la chaleur, de l'hydrogène gazeux et de l'oxyhydroxyde d'aluminium (un produit non toxique et précieux).
- Il s’agit d’une méthode rentable et efficace de production et de transport d’hydrogène.
- Des réactions rapides se produisent moins de 10 minutes après l’ajout d’une petite quantité d’imidazole à l’eau de mer.
- Des réactions soudaines permettent de récupérer et de réutiliser plus de 90 % de l’eutectique gallium-indium.
- 99 % de la production d’hydrogène prévue a été produite à partir de la masse d’aluminium.
- Une réaction rapide et complète de l’aluminium dans l’eau salée a été observée lorsque la réaction a été menée à des températures élevées.
De plus, afin de réduire les coûts et d'améliorer la durabilité du procédé , le recyclage de l'indium et du gallium est important. Pour prévenir la corrosion, une couche d'oxyde protectrice se forme lorsque l'aluminium entre en contact avec l'oxygène. Cette couche d'oxyde doit être détruite pour produire de l'hydrogène à haute densité énergétique.
Rôle du gallium et de l'indium dans la production d'hydrogène vert
La corrosion sous oxyde (AWR) se produit lorsque l'activation par un eutectique métallique liquide utilise des alliages métalliques à bas point de fusion pour fragiliser l'aluminium. Ceci permet à l'eau de pénétrer la couche d'oxyde. Le gallium et l'indium jouent alors un rôle important : le gallium pénètre dans la couche d'oxyde et l'indium permet à l'alliage d'atteindre les joints de grains.
De plus, les chercheurs réduisent la ductilité et la dureté du matériau par l'effet Rehbinder. Cet effet perturbe les films d'oxyde de surface et permet à l'eGaIn de pénétrer l'aluminium. Il est important d'éviter toute altération lors du recyclage de l'indium et du gallium pendant la réaction.
D'après des études antérieures , la récupération de l'eGaIn lors de l'activation de l'aluminium est assurée par l'amélioration des AWR. Une autre étude conclut que l'aluminium réagit avec l'eau pour produire de l'hydrogène, de la chaleur et de l'oxyhydroxyde d'aluminium (AIOOH). Il offre également une densité énergétique élevée de 86 MJ/L, soit deux fois plus que le diesel et 40 fois plus que les batteries lithium-ion.
Environ la moitié de l'énergie impliquée dans les réacteurs à eau réfrigérée est libérée sous forme d'hydrogène gazeux. L'autre moitié libère de l'énergie thermique, comprise entre 400 et 450 kJ/mol d'aluminium. Voici une équation illustrant le processus. Q1 et Q2 représentent la chaleur libérée par chaque réaction.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Équation 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Équation 2)
Observations et résultats
Récupération dans les solutions ioniques pour produire de l'hydrogène
Après une réaction de 12 heures d'une pastille d'aluminium activée dans une solution de NaCl 3.9 M, des particules liquides d'eGaIn apparaissent. Ces formations et leur fusion se poursuivent au fur et à mesure de la progression de la réaction.
Les analyses par microscopie électronique et diffraction des rayons X (DRX) montrent que la phase métallique liquide est composée d'un alliage gallium-indium pur . Elle est entourée de fortes concentrations d'aluminium et d'oxygène.
Cependant, l'analyse permettant de comprendre les différences entre les solutions ioniques, notamment la structure moléculaire et les concentrations, reste à réaliser. Cela permettra de clarifier les taux de réaction et de récupération.
La figure montre la progression de la production d'hydrogène au fil du temps. Cela inclut l'AWR dans différentes solutions, comme l'ajout de sels ou de sulfates dans des conditions isochores. On observe une croissance exponentielle inverse atteignant une limite asymptotique. L'image ci-dessous montre deux régimes différents.
- 1er régime – AWR standard dans l’eau DI caractérisée par la réaction qui commence après 30 secondes de temps d’induction et se termine dans les 5 minutes.
- 2e régime – On l'a observé dans toutes les substances contenant du chlore. Sa réaction est lente et se termine en 250 à 1250 4 minutes (environ 21 à XNUMX heures).
Observations
- Des expériences répétées confirment que la réaction ralentit avec la présence de chlore.
- Certains sulfates ralentissent la réaction standard 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 et 0.25 M K2SO4.
- D'autres maintiennent des taux de réaction élevés tels que 0.5 M FeSO4 et 3 M Al2ðSO4Þ3.
Relation entre les ratios et les taux de réaction
Le tableau ci-dessous présente les résultats de diverses expériences menées dans diverses solutions contenant des sulfates et des sels. L'objectif était d'analyser la relation entre les taux de récupération et les vitesses de réaction.
| Type de solution | Taux de récupération (±5) | Taux de réaction (L/min/kgAl) |
| NaCl 3 M | 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 Fe SO4 | 0.00 | 1,159.42 |
| 0.1 M Ca SO4 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25 M K2SO4 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5 M Mg SO4 | 100.00 | 5.62 |
Observations
- Les chercheurs constatent une interdépendance notable.
- Des taux de récupération élevés sont corrélés à de faibles taux de réaction.
- Les réactions rapides inhibent la récupération dans les solutions de sel et de sulfate en particulier.
- La récupération dans l’eau DI est faible ou inexistante en raison de la réaction directe de l’eutectique avec l’eau.
Avec la progression de l'AWR, le matériau eutectique dans les joints de grains est expulsé sous forme de particules dont la taille varie de quelques micromètres à quelques millimètres. - Des valeurs élevées de potentiel zêta stabilisent les suspensions en facilitant la répulsion efficace des particules par le biais de forces électrostatiques.
- L'eGaIn étant chargé négativement attire les ions chargés positivement qui dépendent de ses potentiels zêta et de sa stabilité colloïdale pour la récupération.
- Une valeur absolue élevée de différence de potentiel empêche les particules de se rapprocher les unes des autres pour la coalescence.
Selon le modèle, la cinétique de réaction a une influence directe sur l'efficacité de la récupération de l'eGaIn dans de telles solutions. Bien que l'AWR se produise dans la plupart des milieux aqueux, divers facteurs influencent la récupération des éléments activateurs. Ces facteurs incluent les espèces ioniques et la température de la solution.
L'utilisation de réacteurs embarqués pour la production d'hydrogène destiné aux transports semble complexe, car elle permet une récupération efficace de l'eGaIn et des réactions rapides. L'augmentation des taux de production d'hydrogène est cruciale pour alimenter les moteurs.
Accélérateurs chimiques pour la production d'hydrogène vert
La caféine , un accélérateur simple utilisé dans les tests de produits ménagers pour les solutions ioniques AWR , a déjà été mise en évidence par Luo et al. dans une étude précédente, qui soulignaient l'intérêt des complexes de caféine comme catalyseurs dans diverses réactions de couplage croisé.
De plus, des études biomédicales récentes ont utilisé la caféine comme agent pour le gallium et l'aluminium . Cela indique le potentiel de la caféine dans les interactions de liaison avec les métaux impliqués dans le processus AWR.
Dans l'ensemble, les études montrent que la caféine possède les caractéristiques suivantes : une absorption rapide et sans danger des molécules. Elle a la capacité de former des liaisons avec d'autres substances, ce qui renforce son attrait comme accélérateur viable dans ce contexte.
Observations
- Le café comestible a un taux de réaction plus élevé.
- Les chercheurs isolent la caféine, le composant principal, puis la testent à l'aide d'un réactif de haute qualité > 99 %.
- Les vitesses de réaction et les rendements en hydrogène étaient constants pour ces différentes concentrations. Le temps de réaction dans cette expérience était d'environ 5 minutes dans tous les cas.
La figure suivante montre les résultats des tests sur la caféine.
Test de l'imidazole dans l'eau salée
L'imidazole, le composant cyclique présent dans la structure moléculaire de la caféine, a également été testé. Les chercheurs ont testé l'effet de différentes concentrations d'imidazole dans de l'eau salée. Cela a permis de mieux comprendre les mécanismes microscopiques en jeu.
Observations
- Les taux de réaction ont augmenté de manière significative lorsque différentes quantités d'imidazole ont été ajoutées, allant de 0.02 à 1 m.
- Même avec une concentration élevée en sel (0.6 à 4 m de NaCl), les réactions se sont produites en 20 minutes.
- Avec l'augmentation des concentrations d'imidazole ou de caféine, les taux de récupération d'eGaIn ont considérablement diminué.
- La meilleure récupération a été obtenue avec 33 % obtenue à une concentration de 0.001 M.
- De meilleurs taux de récupération d'environ 90 % ont été observés avec l'imidazole lorsque sa concentration a été réduite à 0.02 M.
Cette expérience a révélé des informations fascinantes sur l'influence de composés comme l'imidazole et le café sur l'AWR en solutions ioniques. Les vitesses de réaction augmentent dans tous les cas avec la présence d'atomes d'azote libres liés à la surface des métaux. De plus, les taux de récupération sont affectés par l'intensité du moment dipolaire, la diversité des structures moléculaires, la variation de la géométrie et l'électronégativité.
Effets initiaux de la température
Le taux de récupération de l'eGaIn est resté élevé, aux alentours de 90 % dans une solution de NaCl 0.6 M à 80 °C et d'environ 77 % à 90 °C. Ces résultats semblent prometteurs pour la production d'hydrogène dans les moteurs de véhicules. Toutefois, la diminution du taux de récupération à 90 °C indique une limitation, suggérant l'existence d'un seuil de température qui affecte l'efficacité de la récupération de l'eGaIn. Globalement, cette observation est utile pour optimiser le procédé AWR en vue d'applications pratiques, notamment dans des conditions telles que l'eau de mer.
Il est intéressant de constater comment la technologie des briques réfractaires de l'âge du bronze pourrait ouvrir la voie à des émissions nettes nulles à un coût abordable pour 149 pays.
Tests d'eau de mer, mise à l'échelle et réutilisation de l'eGaIn
Pour vérifier la faisabilité de l'expérience, l'eau de mer a été testée avec et sans accélérateur. Les chercheurs ont prélevé de l'eau à Revere Beach, dans le Massachusetts (États-Unis), alimentée par l'océan Atlantique. Les essais ont été menés selon les mêmes méthodes.
Observations
- À température ambiante, la solution de NaCl 0.6 M et l'eau de mer réelle ont un comportement similaire en termes de production d'hydrogène et de vitesse de réaction.
- L’ajout d’accélérateurs chimiques tels que la caféine ou l’imidazole et le préchauffage de l’eau salée ont entraîné une augmentation des taux de réaction.
- Les taux de réaction et les taux de récupération sont restés constants tout au long de l’expérience.
- La masse d'aluminium activé a augmenté à plus de 50 g à partir d'une solution d'eau de mer de 5 L.
- Le poids du matériau récupéré était supérieur à la masse d'eGaIn d'entrée, ce qui prouve la présence d'éléments supplémentaires.
- Après que la réaction ait eu lieu dans de l'eau DI pendant 24 heures, l'eGaIn s'est séparé des autres matériaux.
- Les eGaIn séparés ont des taux de récupération de 90 % à 100 %.
L'eutectique récupéré a ensuite été réutilisé pour activer davantage d'aluminium frais. La constance observée tout au long de la recherche a démontré la possibilité de recycler l'eutectique plusieurs fois. Ainsi, il est possible d'activer davantage d'aluminium grâce aux solutions ioniques.
Des chercheurs créent de manière novatrice des carburants à faible teneur en carbone à partir de microalgues issues des eaux usées et de l'eau de mer.
Conclusion
En conclusion, la récupération de l'eGaIn repose sur la formation d'EDL. La réactivation des granulés d'aluminium avec de l'eGaIn pour la production d'hydrogène permet de réduire les coûts. De l'eau de mer avec 0.6 M de NaCl a été utilisée pour l'hydrolyse avec des accélérateurs. Les accélérateurs chimiques comme l'imidazole et la caféine ont montré des effets positifs sur les taux de réaction et de récupération.
De plus, le bilan énergétique est important pour le stockage de l'hydrogène. Environ 2 % de la production totale d'énergie est nécessaire au traitement de l'aluminium pour la production de carburant. Cela souligne également la capacité de stockage élevée requise. C'est pourquoi les chercheurs analysent en permanence le coût et l'empreinte carbone du procédé. Cela contribuera à déterminer la viabilité économique et la durabilité de la technologie.
