Met behulp van vloeibare metalen is het mogelijk om waterstof en warmte te genereren uit de aluminium-waterreactie (AWR) door middel van mechanochemische activering van het aluminium. 1 Onderzoekers hebben een versnelde waterstofproductie uit aluminium en zeewater aangetoond door versnellers zoals imidazool en cafeïne aan de oplossing toe te voegen.
Doel van de studie : Het terugwinnen van gallium-indium-eutecticum, gebruikt als oppervlaktecoating om de reactiviteit van aluminium in water te bevorderen.
Versnelde waterstofproductie uit aluminium en zeewater
In deze studie onderzoeken onderzoekers de winning van gallium-indium eutectic (eGaIN). Dit materiaal wordt gebruikt voor de oppervlaktebehandeling van aluminium. Wetenschappers willen dit materiaal hergebruiken voor verdere aluminiumactivering. Verder evalueert de studie hoe optimalisatie van reactieomstandigheden en chemische versnellers plaatsvindt om waterstof efficiënt te genereren terwijl eGaIn wordt gewonnen.
Hoogtepunten
- Geactiveerd aluminium reageert met water en genereert hitte, waterstofgas en aluminiumoxyhydroxide (een niet-giftige en waardevolle grondstof).
- Het is een kosteneffectieve en efficiënte methode voor de productie en het transport van waterstof.
- Snelle reacties vinden plaats binnen 10 minuten nadat een kleine hoeveelheid imidazool aan zeewater is toegevoegd.
- Plotselinge reacties maken het mogelijk om meer dan 90% van het gallium-indium-eutecticum terug te winnen en te hergebruiken.
- 99% van de verwachte waterstofproductie werd geproduceerd op basis van de massa van aluminium.
- Er werd een snelle en volledige reactie van aluminium in zout water waargenomen wanneer de reactie bij hoge temperaturen werd uitgevoerd.
Om de kosten te verlagen en de duurzaamheid van het proces te verbeteren , is recycling van indium en gallium belangrijk. Om corrosie te voorkomen, vormt zich een beschermende oxidelaag wanneer aluminium in contact komt met zuurstof. Deze oxidelaag moet worden afgebroken om waterstof met een hoge vermogensdichtheid te genereren.
Rol van gallium en indium bij de productie van groene waterstof
AWR vindt plaats wanneer activering met een vloeibaar metaal-eutecticum gebruikmaakt van metaallegeringen met een laag smeltpunt om het aluminium te verzwakken. Hierdoor kan water de oxidelaag binnendringen. Gallium en indium spelen hierbij een belangrijke rol . Gallium dringt door in de oxidelaag en indium zorgt ervoor dat de legering de korrelgrenzen kan bereiken.
Verder verminderen onderzoekers de ductiliteit en hardheid van het materiaal door het Rehbinder-effect. Het resulteert in het verstoren van oppervlakte-oxidefilms en zorgt ervoor dat eGaIn het aluminium kan binnendringen. Het is belangrijk om veranderingen te voorkomen tijdens het recyclen van indium en gallium tijdens de reactie.
Volgens eerdere studies wordt de terugwinbaarheid van eGaIn bij aluminiumactivering gewaarborgd door de verbetering van AWR's. Een andere studie concludeert dat aluminium reageert met water en daarbij waterstof, warmte en aluminiumoxyhydroxide (AIOOH) produceert. Het biedt bovendien een hoge energiedichtheid van 86 MJ/L, wat twee keer zoveel is als diesel en 40 keer meer dan lithium-ionbatterijen.
Ongeveer de helft van de energie die betrokken is bij de AWR's komt vrij in de vorm van gasvormige waterstof. De resterende helft komt vrij als thermische energie variërend tussen 400-450 kJ mol aluminium. Hier is een vergelijking om het proces te demonstreren. Q1 en Q2 vertegenwoordigen de warmte die vrijkomt bij elke reactie.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Vergelijking 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Vergelijking 2)
Grotere energieopslag in koolstofnanobuistouwen dan lithiumbatterijen, zegt onderzoek
Observaties en resultaten
Herstel in ionische oplossingen om waterstof te produceren
Na een 12 uur durende reactie van een geactiveerde aluminium pellet in 3.9 M NaCl-oplossing, ontstaan vloeibare eGaIn-deeltjes. Deze formaties en samensmelting van deze deeltjes gingen door met de voortgang van de reactie.
Elektronenmicroscopie en röntgendiffractie (XRD)-analyses tonen aan dat de vloeibare metaalfase een zuivere gallium-indiumlegering is . Deze wordt omringd door hoge concentraties aluminium en zuurstof.
Echter, de analyse om de verschillen tussen ionische oplossingen te begrijpen, inclusief moleculaire structuur en concentraties, moet nog worden uitgevoerd. Dit zal de reactiesnelheden en recovery rates verduidelijken.
De afbeelding toont de voortgang van waterstofgeneratie in de loop van de tijd. Dit omvat AWR in verschillende oplossingen, zoals het toevoegen van zouten of sulfaten onder isochore omstandigheden. Er is een omgekeerd exponentieel groeipatroon dat een asymptotische limiet bereikt. De afbeelding hieronder toont 2 verschillende regimes.
- 1e regime – Standaard AWR in gedemineraliseerd water, gekenmerkt door de reactie die begint na 30 seconden inductietijd en binnen 5 minuten voltooid is.
- 2e regime – Het werd opgemerkt in alle stoffen die chloor bevatten. Het vertoont een langzame reactiesnelheid en is voltooid binnen 250 tot 1250 minuten (ca. 4 tot 21 uur).
Waarnemingen
- Herhaalde experimenten bevestigen dat de reactie vertraagt in de aanwezigheid van chloor.
- Sommige sulfaten vertragen de standaardreactie: 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 en 0.25 M K2SO4.
- Andere stoffen handhaven hoge reactiesnelheden, zoals 0.5 M FeSO4 en 3 M Al2ðSO4Þ3.
Relatie tussen verhoudingen en reactiesnelheden
De onderstaande tabel toont de uitkomsten van verschillende experimenten die zijn uitgevoerd in verschillende oplossingen die sulfaten en zouten bevatten. Het doel hiervan was om de relatie tussen recovery ratio's en reactiesnelheden te analyseren.
| Type oplossing | Herstelverhouding (±5) | Reactiesnelheid (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 Mg MgSO4 | 100.00 | 5.62 |
Waarnemingen
- Onderzoekers constateren een opmerkelijke onderlinge afhankelijkheid.
- Hoge recovery ratio's correleren met lage reactiesnelheden.
- Snelle reacties belemmeren vooral het herstel in zout- en sulfaatoplossingen.
- Het herstel in gedeïoniseerd water is laag of niet-bestaand vanwege de directe reactie van het eutecticum met water.
Met de ontwikkeling van AWR werd eutectisch materiaal in de korrelgrenzen uitgestoten, omdat de deeltjesgrootte varieerde van micrometers tot millimeters. - Hoge zetapotentiaalwaarden stabiliseren de suspensies door de effectieve afstoting van deeltjes door elektrostatische krachten te vergemakkelijken.
- Omdat eGaIn negatief geladen is, trekt het positief geladen ionen aan die afhankelijk zijn van zijn zeta-potentialen en colloïdale stabiliteit voor herstel.
- Een hoge absolute waarde van het potentiaalverschil voorkomt dat de deeltjes elkaar naderen om samen te smelten.
Volgens het patroon heeft de reactiekinetiek een directe invloed op de efficiëntie van eGaIn-herstel in dergelijke oplossingen. Hoewel de AWR in de meeste waterige media voorkomt, beïnvloeden verschillende factoren het herstel van de activerende elementen. Deze factoren omvatten de ionische soorten en de temperatuur van de oplossing.
Het gebruik van reactoren in voertuigen voor het genereren van waterstof voor transporttoepassingen lijkt een uitdaging bij het bereiken van efficiënte eGaIn-winning en snelle reacties. Het is cruciaal voor hogere waterstofproductiesnelheden om motoren aan te drijven.
Chemische versnellers voor Groene Waterstofproductie
Een eenvoudige versneller bij het testen van huishoudelijke producten: cafeïne voor de AWR-ionenoplossingen . Luo et al. benadrukten in een eerder onderzoek al het gebruik van cafeïnecomplexen als katalysatoren in diverse kruiskoppelingsreacties.
Bovendien is in recente biomedische studies cafeïne gebruikt als middel voor gallium en aluminium . Dit wijst op het potentieel van cafeïne voor bindingsinteracties met metalen die betrokken zijn bij het AWR-proces.
Over het algemeen tonen de studies aan dat cafeïne veilig is en snel moleculen absorbeert. Ze hebben het vermogen om verbindingen te vormen met andere stoffen. Dit versterkt de aantrekkelijkheid ervan als een levensvatbare versneller in deze situatie.
Waarnemingen
- Eetbare koffie heeft een hogere reactiesnelheid.
- Onderzoekers isoleren cafeïne, het hoofdbestanddeel, en testen het vervolgens met behulp van hoogwaardige reagentia van >99%.
- De reactiesnelheden en waterstofopbrengsten vertoonden consistentie over deze verschillende concentraties. De reactietijd in dit experiment was in alle gevallen ongeveer 5 minuten.
De onderstaande afbeelding toont de resultaten van een cafeïnetest.
Imidazol testen in zout water
Imidazole, het cyclische bestanddeel in de moleculaire structuur van cafeïne, werd ook getest. Onderzoekers testten het effect van verschillende concentraties van de imidazole in gezouten water. Het gaf een beter begrip van de microscopische mechanismen die hierbij een rol spelen.
Waarnemingen
- De reactiesnelheden namen aanzienlijk toe wanneer verschillende hoeveelheden imidazool werden toegevoegd, variërend van 0.02 tot 1 m.
- Zelfs bij een hoge zoutconcentratie (0.6 tot 4 m NaCl) vonden de reacties binnen 20 minuten plaats.
- Naarmate de concentraties imidazol of cafeïne toenamen, daalden de eGaIn-herstelratio's aanzienlijk.
- Het beste herstel werd bereikt met 33% bij een concentratie van 0.001 M.
- Er werden betere recovery ratio's van ongeveer 90% waargenomen bij imidazol wanneer de concentratie werd verlaagd tot 0.02 M.
Fascinerende inzichten in de invloed van verbindingen zoals imidazool en koffie op de AWR in ionische oplossingen werden onthuld door dit experiment. De reactiesnelheden nemen in alle gevallen toe met de aanwezigheid van vrije stikstofatomen die zich binden aan het oppervlak van de metalen. Bovendien werden de recovery ratio's beïnvloed door de sterkte van het dipoolmoment, diverse moleculaire structuur, variërende geometrie en elektronegativiteit.
Initiële temperatuureffecten
Het rendement van eGaIn bleef hoog, rond de 90% in 0.6 M NaCl bij 80 °C en rond de 77% bij 90 °C. Zulke resultaten lijken de waterstofproductie in voertuigmotoren te stimuleren. Een afname van het rendement bij 90 °C duidt echter op een beperking, wat suggereert dat er een temperatuurdrempel bestaat die de efficiëntie van het eGaIn-rendement beïnvloedt. Over het geheel genomen is dit inzicht nuttig voor het optimaliseren van het AWR-proces voor praktische toepassingen, met name in scenario's zoals zeewateromstandigheden.
Het is interessant hoe de technologie van vuurvaste stenen uit de Bronstijd een betaalbare weg naar netto nul emissies zou kunnen banen voor 149 landen.
Zeewatertesten, opschalen en hergebruik van eGaIn
Om de uitvoerbaarheid van het experiment te verifiëren, werd zeewater getest met en zonder versnellers. Onderzoekers verzamelden water van Revere Beach in Revere, MA, VS, dat gevoed wordt door de Atlantische Oceaan. Proeven werden uitgevoerd met behulp van dezelfde methoden.
Waarnemingen
- Bij kamertemperatuur vertonen de 0.6 M NaCl-oplossing en echt zeewater vergelijkbaar gedrag wat betreft waterstofproductie en reactiesnelheid.
- Door chemische versnellers zoals cafeïne of imidazool toe te voegen en het zoute water voor te verwarmen, werden de reactiesnelheden verhoogd.
- De reactiesnelheden en herstelverhoudingen bleven gedurende het hele experiment consistent.
- De massa van geactiveerd aluminium nam toe tot meer dan 50 g uit 5 L zeewateroplossing.
- Het gewicht van het teruggewonnen materiaal was meer dan de eGaIn-invoermassa. Het bewijst verder de aanwezigheid van extra elementen.
- Nadat de reactie 24 uur in gedeïoniseerd water had plaatsgevonden, scheidde de eGaIn zich van andere materialen.
- De gescheiden eGaIn hebben een recovery ratio van 90% tot 100%.
Daarna werd het teruggewonnen eutectisch materiaal hergebruikt om meer vers aluminium te activeren. De consistentie die tijdens het onderzoek werd waargenomen, toonde de mogelijkheid aan dat eutectisch materiaal meerdere keren kan worden gerecycled. Hierdoor is het mogelijk om meer aluminium te activeren dankzij de ionische oplossingen.
Onderzoekers ontwikkelen op innovatieve wijze koolstofarme brandstoffen met behulp van microalgen uit afvalwater en zeewater.
Conclusie
Concluderend is eGaIn-herstel afhankelijk van EDL-vorming. Kostenreductie is mogelijk door de reactivering van aluminiumpellets met eGaIn voor waterstofproductie. Zeewater met 0.6 M NaCl werd gebruikt bij hydrolyse met versnellers. Chemische versnellers zoals imidazool en cafeïne lieten een positieve impact zien op reactie- en herstelsnelheden.
Bovendien is energiebalans belangrijk voor waterstofopslag. Ongeveer 2% van de totale energie-output is vereist voor aluminiumbehandeling voor brandstofproductie. Het benadrukt verder de hoge opslagcapaciteit die hiervoor nodig is. Daarom analyseren onderzoekers voortdurend de kosten en COXNUMX-voetafdruk van het proces. Dit zal helpen bij het bepalen van de economische levensvatbaarheid en duurzaamheid van de technologie.
