Utilizzando metalli liquidi, è possibile generare idrogeno e calore dalla reazione alluminio-acqua (AWR) attraverso l'attivazione meccanochimica dell'alluminio. 1 I ricercatori hanno dimostrato una produzione accelerata di idrogeno da alluminio e acqua di mare aggiungendo alla soluzione acceleratori come imidazolo e caffeina.
Scopo dello studio: Per recuperare l'eutettico gallio-indio utilizzato come rivestimento superficiale per indurre la reattività dell'alluminio in acqua.
Produzione accelerata di idrogeno da alluminio e acqua di mare
In questo studio, i ricercatori esaminano il recupero dell'eutettico gallio-indio (eGaIN). Questo materiale è utilizzato per il trattamento superficiale dell'alluminio. Gli scienziati mirano a riutilizzare questo materiale per un'ulteriore attivazione dell'alluminio. Inoltre, lo studio valuta come avviene l'ottimizzazione delle condizioni di reazione e degli acceleratori chimici per generare in modo efficiente idrogeno durante il recupero di eGaIn.
Highlight
- L'alluminio attivato reagisce con l'acqua e genera calore, idrogeno gassoso e ossi-idrossido di alluminio (una merce non tossica e preziosa).
- Si tratta di un metodo efficiente e conveniente per la produzione e il trasporto dell'idrogeno.
- Reazioni rapide si verificano entro 10 minuti dall'aggiunta di una piccola quantità di imidazolo all'acqua di mare.
- Le reazioni improvvise consentono il recupero e il riutilizzo di oltre il 90% dell'eutettico gallio-indio.
- Il 99% della produzione prevista di idrogeno è stata prodotta sulla base della massa dell'alluminio.
- È stata osservata una reazione rapida e completa dell'alluminio in acqua salata quando la reazione è stata condotta ad alte temperature.
Inoltre per ridurre i costi e migliorare la sostenibilità del processo, il riciclo di indio e gallio è importante. Per prevenire la corrosione, si forma uno strato di ossido protettivo quando l'alluminio entra in contatto con l'ossigeno. Questo strato di ossido deve essere interrotto per generare idrogeno con elevate densità di potenza.
Ruolo del gallio e dell'indio nella produzione di idrogeno verde
L'AWR avviene quando l'attivazione con eutettico di metallo liquido utilizza leghe metalliche a basso punto di fusione per indebolire l'alluminio. Ciò consente all'acqua di penetrare nello strato di ossido. Qui, il gallio e l'indio hanno ruoli importantiIl gallio penetra nello strato di ossido e l'indio consente alla lega di raggiungere i bordi dei grani.
Inoltre, i ricercatori riducono la duttilità e la durezza del materiale tramite l'effetto Rehbinder. Ciò provoca la rottura delle pellicole di ossido superficiali e consente a eGaIn di penetrare nell'alluminio. È importante prevenire qualsiasi cambiamento durante il riciclaggio di indio e gallio durante la reazione.
Come per studi precedenti, la recuperabilità dell'eGaIn nell'attivazione dell'alluminio è garantita dal potenziamento degli AWR. Un altro studio conclude che l'alluminio reagisce con l'acqua e produce idrogeno, calore e ossi-idrossido di alluminio (AIOOH). Offre inoltre un'elevata densità energetica di 86 MJ/L, che è il doppio del diesel e 40 volte di più delle batterie agli ioni di litio.
Circa metà dell'energia coinvolta negli AWR viene rilasciata sotto forma di idrogeno gassoso. La metà rimanente viene rilasciata come energia termica compresa tra 400-450 kJ mole di alluminio. Ecco un'equazione per dimostrare il processo. Q1 e Q2 rappresentano il calore rilasciato da ciascuna reazione.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Equazione 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Equazione 2)
Osservazioni e risultati
Recupero in soluzioni ioniche per produrre idrogeno
Dopo una reazione di 12 ore di un pellet di alluminio attivato in una soluzione di NaCl 3.9 M, emergono particelle liquide di eGaIn. Queste formazioni e la fusione di queste particelle sono continuate con il progredire della reazione.
Le analisi di microscopia elettronica e diffrazione dei raggi X (XRD) mostrano che la fase di metallo liquido ha una lega pura di gallio-indioÈ circondato da elevate concentrazioni di alluminio e ossigeno.
Tuttavia, l'analisi per comprendere le differenze tra soluzioni ioniche, inclusa la struttura molecolare e le concentrazioni, deve ancora essere fatta. Ciò chiarirà i tassi di reazione e i tassi di recupero.
La figura mostra la progressione della generazione di idrogeno nel tempo. Ciò include AWR in diverse soluzioni come l'aggiunta di sali o solfati in condizioni isocore. C'è un modello di crescita esponenziale inverso che raggiunge un limite asintotico. L'immagine sottostante mostra 2 regimi diversi.
- 1° regime – AWR standard in acqua deionizzata caratterizzato dalla reazione che inizia dopo 30 secondi di tempo di induzione e si completa entro 5 minuti.
- 2° regime – È stato notato in tutte le sostanze contenenti cloro. Mostra una velocità di reazione lenta e si completa entro 250-1250 minuti (circa 4-21 ore).
Osservazioni
- Esperimenti ripetuti confermano che la reazione rallenta in presenza di cloro.
- Alcuni solfati rallentano la reazione standard 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 e 0.25 M K2SO4.
- Altri mantengono elevate velocità di reazione, come 0.5 M FeSO4 e 3 M Al2ðSO4Þ3.
Relazione tra rapporti e velocità di reazione
La tabella seguente mostra i risultati di vari esperimenti condotti in varie soluzioni contenenti solfati e sali. Lo scopo era quello di analizzare la relazione tra rapporti di recupero e velocità di reazione.
| Tipo di soluzione | Rapporto di recupero (±5) | Velocità di reazione (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 MgSO4 | 100.00 | 5.62 |
Osservazioni
- I ricercatori hanno riscontrato una notevole interdipendenza.
- Elevati tassi di recupero sono correlati a basse velocità di reazione.
- Le reazioni rapide inibiscono il recupero in particolare nelle soluzioni di sale e solfato.
- Il recupero in acqua deionizzata è basso o inesistente a causa della reazione diretta dell'eutettico con l'acqua.
Con l'avanzare dell'AWR, il materiale eutettico nei bordi dei grani viene espulso sotto forma di particelle di dimensioni variabili da micrometri a millimetri. - Gli elevati valori del potenziale zeta stabilizzano le sospensioni facilitando l'efficace repulsione delle particelle attraverso forze elettrostatiche.
- L'eGaIn, essendo caricato negativamente, attrae ioni caricati positivamente, il cui recupero dipende dai suoi potenziali zeta e dalla stabilità colloidale.
- Un valore assoluto elevato della differenza di potenziale impedisce alle particelle di avvicinarsi l'una all'altra per coalescenza.
Secondo il modello, la cinetica di reazione ha un'influenza diretta sull'efficienza del recupero di eGaIn in tali soluzioni. Sebbene l'AWR si verifichi nella maggior parte dei mezzi acquosi, vari fattori influenzano il recupero degli elementi attivanti. Questi fattori includono le specie ioniche e la temperatura della soluzione.
L'utilizzo di reattori in-vehicle per generare idrogeno per applicazioni di trasporto sembra una sfida per ottenere un recupero efficiente di eGaIn e reazioni rapide. È fondamentale per tassi di produzione di idrogeno più elevati per alimentare i motori.
Acceleratori chimici per la produzione di idrogeno verde
Un semplice acceleratore nei test sui prodotti per la casa, caffeina per le soluzioni ioniche AWR. Luo et al. in uno studio precedente hanno già sottolineato l'uso dei complessi di caffeina come catalizzatori in varie reazioni di accoppiamento incrociato.
Inoltre, recenti studi biomedici hanno utilizzato la caffeina come agente per gallio e alluminio. Indica Il potenziale della caffeina nelle interazioni di legame con metalli coinvolti nel processo AWR.
Nel complesso, gli studi dimostrano che le caratteristiche della caffeina sono sicure e rapide nell'assorbimento delle molecole. Hanno la capacità di formare legami con altre sostanze. Ciò amplifica ulteriormente la sua attrattiva come acceleratore valido in questa situazione.
Osservazioni
- Il caffè commestibile ha una velocità di reazione più elevata.
- I ricercatori isolano la caffeina, il componente principale, per poi testarla utilizzando reagenti di alta qualità con grado di purezza >99%.
- Le velocità di reazione e le rese di idrogeno hanno mostrato coerenza tra queste diverse concentrazioni. Il tempo di reazione in questo esperimento è stato di circa 5 minuti in tutti i casi.
La figura seguente mostra i risultati dei test sulla caffeina.
Test dell'imidazolo in acqua salata
Anche l'imidazolo, il componente ciclico presente nella struttura molecolare della caffeina, è stato testato. I ricercatori hanno testato l'effetto di varie concentrazioni di imidazolo in acqua salata. Ciò ha fornito una migliore comprensione dei meccanismi microscopici in gioco.
Osservazioni
- La velocità di reazione è aumentata significativamente aggiungendo diverse quantità di imidazolo, comprese tra 0.02 e 1 m.
- Anche con elevate concentrazioni di sale (da 0.6 a 4 m di NaCl), le reazioni si sono verificate entro 20 minuti.
- Con l'aumento delle concentrazioni di imidazolo o caffeina, i rapporti di recupero di eGaIn diminuiscono notevolmente.
- Il recupero migliore è stato ottenuto con il 33% a una concentrazione di 0.001 M.
- Sono stati osservati rapporti di recupero migliori, pari a circa il 90%, con l'imidazolo quando la sua concentrazione è stata ridotta a 0.02 M.
Attraverso questo esperimento sono state rivelate affascinanti intuizioni sull'influenza di composti come l'imidazolo e il caffè sull'AWR in soluzioni ioniche. Le velocità di reazione aumentano in tutti i casi con la presenza di atomi di azoto liberi che si legano alla superficie dei metalli. Inoltre, i rapporti di recupero sono stati influenzati dalla forza del momento di dipolo, dalla diversa struttura molecolare, dalla geometria variabile e dall'elettronegatività.
Effetti della temperatura iniziale
Il recupero di eGaIn è rimasto elevato a circa il 90% in 0.6 M NaCl a 80° C e circa il 77% a 90° C. Tali risultati sembrano incoraggiare la produzione di idrogeno nei motori dei veicoli. Tuttavia, una diminuzione del recupero a 90° C indica una limitazione che suggerisce la presenza di una soglia di temperatura che influisce sull'efficienza di recupero di eGaIn. Nel complesso, questa intuizione è utile per ottimizzare il processo AWR per l'applicazione pratica, specialmente in scenari come le condizioni dell'acqua di mare.
È interessante vedere come La tecnologia dei mattoni refrattari dell'età del bronzo potrebbe aprire la strada a un percorso accessibile verso le emissioni nette zero per 149 paesi.
Test dell'acqua di mare, ampliamento e riutilizzo di eGaIn
Per verificare l'operatività dell'esperimento, l'acqua di mare è stata testata con e senza acceleratori. I ricercatori hanno raccolto acqua da Revere Beach a Revere, MA, USA, che è alimentata dall'Oceano Atlantico. Le prove sono state condotte utilizzando gli stessi metodi.
Osservazioni
- A temperatura ambiente, la soluzione di NaCl 0.6 M e l'acqua di mare reale hanno un comportamento simile in termini di produzione di idrogeno e velocità di reazione.
- L'aggiunta di acceleratori chimici come la caffeina o l'imidazolo e il preriscaldamento dell'acqua salata hanno determinato un aumento della velocità di reazione.
- La velocità di reazione e i rapporti di recupero sono rimasti costanti per tutta la durata dell'esperimento.
- La massa di alluminio attivato è aumentata a più di 50 g da una soluzione di acqua di mare da 5 L.
- Il peso del materiale recuperato era maggiore della massa di input di eGaIn. Ciò dimostra ulteriormente la presenza di elementi aggiuntivi.
- Dopo che la reazione è avvenuta in acqua deionizzata per 24 ore, l'eGaIn si è separato dagli altri materiali.
- Gli eGaIn separati hanno rapporti di recupero dal 90% al 100%.
Successivamente, l'eutettico recuperato è stato riutilizzato per attivare altro alluminio fresco. La consistenza osservata durante la ricerca ha dimostrato la possibilità che l'eutettico venga riciclato più volte. In questo modo, è possibile attivare altro alluminio grazie alle soluzioni ioniche.
I ricercatori sono innovativi creare carburanti a basse emissioni di carbonio con microalghe da acque reflue e acqua di mare.
Conclusione
In conclusione, il recupero di eGaIn si basa sulla formazione di EDL. La riduzione dei costi è possibile grazie alla riattivazione di pellet di alluminio con eGaIn per la produzione di idrogeno. L'acqua di mare con 0.6 M NaCl è stata utilizzata nell'idrolisi con acceleratori. Acceleratori chimici come imidazolo e caffeina hanno mostrato impatti positivi sui tassi di reazione e recupero.
Inoltre, il bilancio energetico è importante per lo stoccaggio dell'idrogeno. Circa il 2% dell'energia totale prodotta è richiesta per il trattamento dell'alluminio per la produzione di carburante. Ciò evidenzia ulteriormente l'elevata capacità di stoccaggio richiesta. Pertanto, i ricercatori stanno analizzando costantemente i costi e l'impronta di carbonio del processo. Ciò aiuterà a determinare la fattibilità economica e la sostenibilità della tecnologia.
