Wykorzystując ciekłe metale, możliwe jest generowanie wodoru i ciepła w wyniku reakcji aluminium z wodą (AWR) poprzez mechanochemiczną aktywację aluminium. 1 Naukowcy zademonstrowali przyspieszoną produkcję wodoru z aluminium i wody morskiej poprzez dodanie do roztworu przyspieszaczy, takich jak imidazol i kofeina.
Cel badania:Aby odzyskać eutektykę galowo-indową stosowaną jako powłoka powierzchniowa w celu wywołania reaktywności aluminium w wodzie.
Przyspieszona produkcja wodoru z aluminium i wody morskiej
W tym badaniu naukowcy badają odzyskiwanie eutektyki galowo-indowej (eGaIN). Materiał ten jest używany do obróbki powierzchni aluminium. Naukowcy mają na celu ponowne wykorzystanie tego materiału do dalszej aktywacji aluminium. Ponadto badanie ocenia, w jaki sposób optymalizacja warunków reakcji i akceleratorów chemicznych zachodzi, aby wydajnie generować wodór podczas odzyskiwania eGaIn.
Najważniejsze
- Aktywowany glin reaguje z wodą, wytwarzając ciepło, wodór oraz tlenotlenek glinu (nietoksyczny i cenny surowiec).
- Jest to ekonomiczna i wydajna metoda produkcji i transportu wodoru.
- Szybkie reakcje zachodzą w ciągu 10 minut po dodaniu niewielkiej ilości imidazolu do wody morskiej.
- Nagłe reakcje pozwalają na odzyskanie i ponowne wykorzystanie ponad 90% eutektyki galowo-indowej.
- 99% przewidywanej produkcji wodoru wytworzono w oparciu o masę aluminium.
- Zaobserwowano szybką i całkowitą reakcję aluminium w wodzie morskiej, jeżeli reakcję przeprowadzono w wysokiej temperaturze.
Tak więc, aby obniżyć koszty i poprawić zrównoważenie procesu, recykling indu i galu jest ważny. Aby zapobiec korozji, warstwa ochronna tlenku tworzy się, gdy aluminium wchodzi w kontakt z tlenem. Ta warstwa tlenku musi zostać rozerwana, aby wytworzyć wodór o dużej gęstości mocy.
Rola galu i indu w produkcji zielonego wodoru
AWR ma miejsce, gdy aktywacja za pomocą eutektyki ciekłego metalu wykorzystuje stopy metali o niskiej temperaturze topnienia, aby osłabić aluminium. Pozwala to wodzie wniknąć w warstwę tlenku. Tutaj, gal i ind odgrywają ważną rolęGal wnika w warstwę tlenku, a ind umożliwia stopowi dotarcie do granic ziaren.
Ponadto badacze zmniejszają ciągliwość i twardość materiału poprzez efekt Rehbindera. Powoduje to rozerwanie warstw tlenków powierzchniowych i umożliwia eGaIn penetrację aluminium. Ważne jest, aby zapobiec jakimkolwiek zmianom podczas recyklingu indu i galu podczas reakcji.
Zgodnie z wcześniejsze studiaOdzyskiwalność eGaIn w aktywacji aluminium jest zapewniona poprzez ulepszenie AWR. Kolejne badanie wykazało, że że aluminium reaguje z wodą i wytwarza wodór, ciepło i wodorotlenek glinu (AIOOH). Oferuje również wysoką gęstość energii 86 MJ/L, co jest dwa razy więcej niż w przypadku oleju napędowego i 40 razy więcej niż w przypadku baterii litowo-jonowych.
Około połowa energii zaangażowanej w AWR uwalnia się w postaci gazowego wodoru. Pozostała połowa uwalnia się jako energia cieplna w zakresie od 400 do 450 kJ mola aluminium. Oto równanie ilustrujące ten proces. Q1 i Q2 przedstawiają ciepło uwalniane przez każdą reakcję.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (równanie 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Równanie 2)
Obserwacje i wyniki
Odzyskiwanie w roztworach jonowych produkować wodór
Po 12-godzinnej reakcji aktywowanego granulatu aluminiowego w 3.9 M roztworze NaCl wyłaniają się ciekłe cząstki eGaIn. Te formacje i łączenie się tych cząstek kontynuowano wraz z postępem reakcji.
Analiza mikroskopii elektronowej i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) wykazała, że faza ciekła metalu ma czysty stop galu i induOtaczają go wysokie stężenia aluminium i tlenu.
Jednak analiza mająca na celu zrozumienie różnic między roztworami jonowymi, w tym struktury molekularnej i stężeń, musi zostać jeszcze przeprowadzona. Pozwoli to na wyjaśnienie szybkości reakcji i szybkości odzyskiwania.
Rysunek pokazuje postęp generacji wodoru w czasie. Obejmuje to AWR w różnych roztworach, takich jak dodawanie soli lub siarczanów w warunkach izochorycznych. Istnieje odwrotny wzór wzrostu wykładniczego osiągający asymptotyczną granicę. Poniższy obraz pokazuje 2 różne reżimy.
- 1. reżim – Standardowy AWR w wodzie DI, charakteryzujący się reakcją rozpoczynającą się po 30 sekundach od rozpoczęcia indukcji i kończącą się w ciągu 5 minut.
- 2. reżim – Zauważono to we wszystkich substancjach zawierających chlor. Wykazuje powolną szybkość reakcji i kończy się w ciągu 250 do 1250 minut (ok. 4 do 21 godzin).
Komentarze
- Wielokrotne eksperymenty potwierdzają, że reakcja ulega spowolnieniu w obecności chloru.
- Niektóre siarczany spowalniają standardową reakcję 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 i 0.25 M K2SO4.
- Inne utrzymują wysokie szybkości reakcji, takie jak 0.5 M FeSO4 i 3 M Al2ðSO4Þ3.
Związek między współczynnikami a szybkością reakcji
Poniższa tabela przedstawia wyniki różnych eksperymentów przeprowadzonych w różnych roztworach zawierających siarczany i sole. Celem była analiza zależności między wskaźnikami odzysku a szybkościami reakcji.
| Rodzaj rozwiązania | Współczynnik odzysku (±5) | Szybkość reakcji (l/min/kgAl) |
| 3 M NaCl | 100.00 | 2.22 |
| 0.5 mola Na2SO4 | 97.12 | 3.48 |
| 0.1M Al2(SO4)3 | 0.00 | 212.65 |
| 0.1M FeSO4 | 0.00 | 1,159.42 |
| 0.1M Ca SO4 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25M K2SO4 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5MgSO4 | 100.00 | 5.62 |
Komentarze
- Naukowcy odkryli znaczącą współzależność.
- Wysoki wskaźnik odzysku koreluje z niskim wskaźnikiem reakcji.
- Szybkie reakcje hamują odzysk, szczególnie w roztworach soli i siarczanów.
- Odzysk wody dejonizowanej jest niski lub nie występuje wcale ze względu na bezpośrednią reakcję eutektyki z wodą.
W miarę postępu AWR materiał eutektyczny w granicach ziaren zostaje wydalony, a rozmiary cząstek zmieniają się od mikrometrów do milimetrów. - Wysokie wartości potencjału zeta stabilizują zawiesiny, ułatwiając efektywne odpychanie cząstek za pomocą sił elektrostatycznych.
- eGaIn, mając ładunek ujemny, przyciąga jony o ładunku dodatnim, których regeneracja zależy od potencjału zeta i stabilności koloidalnej.
- Wysoka wartość bezwzględna różnicy potencjałów zapobiega wzajemnemu zbliżaniu się cząstek i ich koalescencji.
Zgodnie ze schematem kinetyka reakcji ma bezpośredni wpływ na wydajność odzyskiwania eGaIn w takich roztworach. Chociaż AWR występuje w większości środowisk wodnych, różne czynniki wpływają na odzyskiwanie elementów aktywujących. Czynniki te obejmują gatunki jonowe i temperaturę roztworu.
Wykorzystanie reaktorów w pojazdach do wytwarzania wodoru do zastosowań transportowych wydaje się trudne w osiąganiu wydajnego odzysku eGaIn i szybkich reakcji. Jest to kluczowe dla wyższych wskaźników produkcji wodoru do zasilania silników.
Akceleratory chemiczne do produkcji zielonego wodoru
Prosty akcelerator w testowaniu produktów gospodarstwa domowego, kofeina do roztworów jonowych AWR. Luo i in. w poprzednim badaniu podkreślał już zastosowanie kompleksów kofeiny jako katalizatorów w różnych reakcjach sprzęgania krzyżowego.
Co więcej, ostatnie badania biomedyczne wykorzystują kofeinę jako środek gal i aluminium. To wskazuje potencjał kofeiny w wiązaniu interakcji z metalami biorącymi udział w procesie AWR.
Ogólnie rzecz biorąc, badania pokazują, że właściwości kofeiny są bezpieczne i szybkie w absorbowaniu cząsteczek. Mają zdolność tworzenia wiązań z innymi substancjami. To jeszcze bardziej wzmacnia jej atrakcyjność jako realnego akceleratora w tej sytuacji.
Komentarze
- Jadalna kawa ma szybszą reakcję.
- Naukowcy izolują kofeinę, główny składnik, a następnie poddają ją testom przy użyciu wysokiej jakości odczynników o czystości >99%.
- Szybkości reakcji i wydajność wodoru były spójne w przypadku tych różnych stężeń. Czas reakcji w tym eksperymencie wynosił około 5 minut we wszystkich przypadkach.
Poniższy rysunek przedstawia wyniki testów kofeiny.
Testowanie imidazolu w wodzie solonej
Imidazol, cykliczny składnik występujący w strukturze cząsteczkowej kofeiny, również został przetestowany. Naukowcy przetestowali wpływ różnych stężeń imidazolu w słonej wodzie. Pozwoliło to lepiej zrozumieć mikroskopijne mechanizmy zachodzące w grze.
Komentarze
- Szybkość reakcji znacznie wzrosła po dodaniu różnych ilości imidazolu, od 0.02 do 1 μm.
- Nawet przy wysokim stężeniu soli (0.6 do 4 m NaCl) reakcje zachodziły w ciągu 20 minut.
- Wraz ze wzrostem stężenia imidazolu lub kofeiny wskaźniki odzysku eGaIn wyraźnie spadały.
- Najlepszy odzysk uzyskano przy stężeniu 33 M na poziomie 0.001%.
- Lepsze wskaźniki odzysku, rzędu 90%, zaobserwowano w przypadku imidazolu po zmniejszeniu jego stężenia do 0.02 M.
Fascynujące spostrzeżenia na temat wpływu związków takich jak imidazol i kawa na AWR w roztworach jonowych zostały ujawnione w tym eksperymencie. Szybkości reakcji wzrastają we wszystkich przypadkach wraz z obecnością wolnych atomów azotu wiążących się z powierzchnią metali. Ponadto na wskaźniki odzysku wpływała siła momentu dipolowego, różnorodna struktura cząsteczkowa, zmienna geometria i elektroujemność.
Początkowe efekty temperatury
Odzysk eGaIn pozostał wysoki na poziomie około 90% w 0.6 M NaCl w temp. 80° C i około 77% w temp. 90° C. Takie wyniki wydają się zachęcać do produkcji wodoru w silnikach pojazdów. Jednak spadek odzysku przy 90° C wskazuje na ograniczenie sugerujące obecność progu temperatury, który wpływa na wydajność odzysku eGaIn. Ogólnie rzecz biorąc, ta wiedza jest pomocna w optymalizacji procesu AWR do zastosowań praktycznych, szczególnie w scenariuszach takich jak warunki wody morskiej.
Ciekawe jest to, jak Technologia cegieł ogniotrwałych z epoki brązu może utorować niedrogą drogę do zerowej emisji netto dla 149 krajów.
Testowanie wody morskiej, skalowanie i ponowne wykorzystanie eGaIn
Aby zweryfikować wykonalność eksperymentu, wodę morską testowano z akceleratorami i bez nich. Naukowcy zebrali wodę z Revere Beach w Revere, MA, USA, która jest zasilana przez Ocean Atlantycki. Próby przeprowadzono przy użyciu tych samych metod.
Komentarze
- W temperaturze pokojowej roztwór NaCl o stężeniu 0.6 M i prawdziwa woda morska wykazują podobne zachowania pod względem produkcji wodoru i szybkości reakcji.
- Dodanie chemicznych przyspieszaczy, takich jak kofeina czy imidazol, i wstępne podgrzanie wody morskiej spowodowało zwiększenie szybkości reakcji.
- Stałe szybkości reakcji i wskaźniki odzysku utrzymywały się przez cały eksperyment.
- Masa aktywowanego glinu wzrosła do ponad 50 g z 5 l roztworu wody morskiej.
- Waga odzyskanego materiału była większa niż masa wejściowa eGaIn. To dodatkowo dowodzi obecności dodatkowych pierwiastków.
- Po 24 godzinach reakcji w wodzie dejonizowanej eGaIn oddzielił się od innych materiałów.
- Oddzielone eGaIn mają wskaźniki odzysku od 90% do 100%.
Następnie odzyskany eutektyk został ponownie użyty do aktywacji większej ilości świeżego aluminium. Spójność zaobserwowana w trakcie badań wykazała możliwość wielokrotnego recyklingu eutektyku. Dzięki temu możliwe jest aktywowanie większej ilości aluminium dzięki roztworom jonowym.
Naukowcy są innowacyjnie tworzenie paliw niskoemisyjnych z mikroalg ze ścieków i wody morskiej.
Wniosek
Podsumowując, odzyskiwanie eGaIn opiera się na formowaniu EDL. Redukcja kosztów jest możliwa dzięki reaktywacji granulek aluminiowych z eGaIn do produkcji wodoru. Woda morska z 0.6 M NaCl została użyta w hydrolizie z akceleratorami. Przyspieszacze chemiczne, takie jak imidazol i kofeina, wykazały pozytywny wpływ na szybkość reakcji i odzyskiwania.
Ponadto bilans energetyczny jest ważny dla magazynowania wodoru. Około 2% całkowitej energii wyjściowej jest wymagane do obróbki aluminium w celu produkcji paliwa. Podkreśla to dodatkowo wymaganą przez to wysoką pojemność magazynową. Dlatego badacze nieustannie analizują koszty i ślad węglowy procesu. Pomoże to w określeniu opłacalności ekonomicznej i zrównoważonego rozwoju technologii.
