Usando metais líquidos, é possível gerar hidrogênio e calor a partir da reação alumínio-água (AWR) por meio da ativação mecanoquímica do alumínio. 1 Pesquisadores demonstraram a produção acelerada de hidrogênio a partir de alumínio e água do mar adicionando aceleradores como imidazol e cafeína à solução.
Objetivo do estudo:Para recuperar o eutético de gálio-índio usado como revestimento de superfície para induzir a reatividade do alumínio na água.
Produção acelerada de hidrogênio a partir de alumínio e água do mar
Neste estudo, os pesquisadores examinam a recuperação de eutético de gálio-índio (eGaIN). Este material é usado para o tratamento de superfície de alumínio. Os cientistas pretendem reutilizar este material para posterior ativação de alumínio. Além disso, o estudo avalia como a otimização das condições de reação e aceleradores químicos ocorre para gerar hidrogênio de forma eficiente enquanto recupera eGaIn.
Destaques
- O alumínio ativado reage com a água e gera calor, gás hidrogênio e oxi-hidróxido de alumínio (uma mercadoria não tóxica e valiosa).
- É um método econômico e eficiente de produção e transporte de hidrogênio.
- Reações rápidas ocorrem menos de 10 minutos após uma pequena quantidade de imidazol ser adicionada à água do mar.
- Reações repentinas permitem a recuperação e reutilização de mais de 90% do eutético de gálio-índio.
- 99% da produção prevista de hidrogênio foi produzida com base na massa do alumínio.
- Uma reação rápida e completa do alumínio em água salgada foi observada quando a reação foi conduzida em altas temperaturas.
Também, para reduzir custos e melhorar a sustentabilidade do processo, a reciclagem de índio e gálio é importante. Para evitar corrosão, uma camada protetora de óxido se forma quando o alumínio entra em contato com oxigênio. Essa camada de óxido precisa ser rompida para gerar hidrogênio com altas densidades de potência.
Papel do Gálio e do Índio na Produção de Hidrogênio Verde
AWR ocorre quando a ativação com eutético de metal líquido usa ligas metálicas de baixo ponto de fusão para enfraquecer o alumínio. Isso permite que a água penetre na camada de óxido. Aqui, gálio e índio têm papéis importantes. O gálio entra na camada de óxido e o índio permite que a liga atinja os limites dos grãos.
Além disso, os pesquisadores reduzem a ductilidade e a dureza do material pelo efeito Rehbinder. Isso resulta na ruptura de filmes de óxido de superfície e permite que o eGaIn penetre no alumínio. É importante evitar quaisquer alterações durante a reciclagem de índio e gálio durante a reação.
Conforme estudos anteriores, a recuperabilidade do eGaIn na ativação do alumínio é garantida pelo aprimoramento dos AWRs. Outro estudo conclui que, o alumínio reage com água e produz hidrogênio, calor e oxihidróxido de alumínio (AIOOH). Ele também oferece uma alta densidade de energia de 86 MJ/L, que é o dobro do diesel e 40 vezes mais do que as baterias de íons de lítio.
Cerca de metade da energia envolvida nos AWRs é liberada na forma de hidrogênio gasoso. A metade restante é liberada como energia térmica variando entre 400-450 kJ mol de alumínio. Aqui está uma equação para demonstrar o processo. Q1 e Q2 representam o calor liberado por cada reação.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Equação 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Equação 2)
Observações e Resultados
Recuperação em Soluções Iônicas para produzir hidrogênio
Após uma reação de 12 horas de um pellet de alumínio ativado em solução de NaCl 3.9 M, partículas líquidas de eGaIn emergem. Essas formações e a fusão dessas partículas continuaram com o progresso na reação.
As análises de microscopia eletrônica e difração de raios X (XRD) mostram que a fase metálica líquida possui liga pura de gálio-índio. Altas concentrações de alumínio e oxigênio o cercam.
No entanto, a análise para entender as diferenças entre soluções iônicas, incluindo estrutura molecular e concentrações, ainda precisa ser feita. Isso esclarecerá as taxas de reação e recuperação.
A figura mostra a progressão da geração de hidrogênio ao longo do tempo. Isso inclui AWR em diferentes soluções, como adição de sais ou sulfatos sob condições isocóricas. Há um padrão de crescimento exponencial inverso atingindo um limite assintótico. A imagem abaixo mostra 2 regimes diferentes.
- 1º regime – AWR padrão em água DI caracterizada pela reação que começa após 30 segundos de tempo de indução e termina em 5 minutos.
- 2º regime – Foi notado em todas as substâncias que contêm cloro. Mostra uma taxa de reação lenta e completa-se dentro de 250 a 1250 minutos (aprox. 4 a 21 horas).
Observações
- Experimentos repetidos confirmam que a reação diminui com a presença de cloro.
- Alguns sulfatos desaceleram a reação padrão 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 e 0.25 M K2SO4.
- Outros mantêm altas taxas de reação, como 0.5 M FeSO4 e 3 M Al2ðSO4Þ3.
Relação entre razões e taxas de reação
A tabela abaixo mostra os resultados de vários experimentos conduzidos em várias soluções contendo sulfatos e sais. O objetivo disto era analisar a relação entre taxas de recuperação e taxas de reação.
| Tipo de Solução | Taxa de recuperação (±5) | Taxa de reação (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 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 |
Observações
- Pesquisadores encontram uma interdependência notável.
- Altas taxas de recuperação estão correlacionadas com baixas taxas de reação.
- Reações rápidas inibem a recuperação principalmente em soluções de sal e sulfato.
- A recuperação em água DI é baixa ou inexistente devido à reação direta do eutético com a água.
Com a progressão da AWR, o material eutético nos limites dos grãos é expelido conforme o tamanho das partículas varia de micrômetros a milímetros. - Altos valores de potencial zeta estabilizam as suspensões facilitando a repulsão efetiva de partículas por meio de forças eletrostáticas.
- O eGaIn, sendo carregado negativamente, atrai íons carregados positivamente, que dependem de seus potenciais zeta e estabilidade coloidal para recuperação.
- Um alto valor absoluto de diferença de potencial impede que as partículas se aproximem para coalescência.
De acordo com o padrão, a cinética da reação tem uma influência direta na eficiência da recuperação de eGaIn em tais soluções. Embora o AWR ocorra na maioria dos meios aquosos, vários fatores afetam a recuperação dos elementos ativadores. Esses fatores incluem as espécies iônicas e a temperatura da solução.
Usar reatores em veículos para gerar hidrogênio para aplicações de transporte parece desafiador para atingir recuperação eficiente de eGaIn e reações rápidas. É crucial para maiores taxas de produção de hidrogênio para alimentar motores.
Aceleradores Químicos para Produção de Hidrogênio Verde
Um acelerador simples em testes de produtos domésticos, cafeína para as soluções iônicas AWR. Luo et al. em um estudo anterior já enfatizou o uso de complexos de cafeína como catalisadores em diversas reações de acoplamento cruzado.
Além disso, estudos biomédicos recentes têm usado a cafeína como um agente para gálio e alumínio. Isso indica potencial da cafeína nas interações de vínculo com metais envolvidos no processo AWR.
No geral, os estudos mostram que as características da cafeína são seguras e rápidas na absorção de moléculas. Elas têm a capacidade de formar ligações com outras substâncias. Isso amplifica ainda mais sua atratividade como um acelerador viável nessa situação.
Observações
- O café comestível tem uma taxa de reação maior.
- Os pesquisadores isolam a cafeína, o principal componente, e a testam usando reagentes de alta qualidade com grau >99%.
- As taxas de reação e os rendimentos de hidrogênio mostraram consistência entre essas diferentes concentrações. O tempo de reação neste experimento foi de cerca de 5 minutos em todos os casos.
A figura a seguir demonstra os resultados do teste de cafeína.
Testando Imidazol em Água Salgada
Imidazol, o componente cíclico encontrado na estrutura molecular da cafeína, também foi testado. Pesquisadores testaram o efeito de várias concentrações de imidazol em água salgada. Isso forneceu uma melhor compreensão dos mecanismos microscópicos em jogo.
Observações
- As taxas de reação aumentaram significativamente quando diferentes quantidades de imidazol foram adicionadas, variando de 0.02 a 1 m.
- Mesmo com alta concentração de sal (0.6 a 4 m NaCl), as reações ocorreram em 20 minutos.
- Com concentrações crescentes de imidazol ou cafeína, as taxas de recuperação de eGaIn diminuíram notavelmente.
- A melhor recuperação foi alcançada com 33% obtida na concentração de 0.001 M.
- Melhores taxas de recuperação de cerca de 90% foram observadas com imidazol quando sua concentração foi reduzida para 0.02 M.
Insights fascinantes sobre a influência de compostos como imidazol e café no AWR em soluções iônicas foram revelados por meio deste experimento. As taxas de reação aumentam em todos os casos com a presença de átomos de nitrogênio livres se ligando à superfície dos metais. Além disso, as taxas de recuperação foram afetadas pela força do momento dipolar, estrutura molecular diversa, geometria variável e eletronegatividade.
Efeitos iniciais da temperatura
A recuperação do eGaIn permaneceu alta em cerca de 90% em 0.6 M NaCl a 80° C e cerca de 77% a 90° C. Tais resultados parecem encorajar a produção de hidrogênio em motores de veículos. No entanto, uma diminuição na recuperação a 90° C indica uma limitação sugerindo a presença de um limite de temperatura que afeta a eficiência de recuperação de eGaIn. No geral, esse insight é útil para otimizar o processo AWR para aplicação prática, especialmente em cenários como condições de água do mar.
É interessante como A tecnologia de tijolos refratários da Idade do Bronze pode abrir caminho acessível para emissões líquidas zero para 149 países.
Teste de água do mar, ampliação e reutilização de eGaIn
Para verificar a operabilidade do experimento, a água do mar foi testada com e sem aceleradores. Os pesquisadores coletaram água de Revere Beach em Revere, MA, EUA, que é alimentada pelo Oceano Atlântico. Os testes foram conduzidos usando os mesmos métodos.
Observações
- À temperatura ambiente, a solução de NaCl 0.6 M e a água do mar real têm comportamento semelhante em termos de produção de hidrogênio e velocidade de reação.
- A adição de aceleradores químicos, como cafeína ou imidazol, e o pré-aquecimento da água salgada resultaram em maiores taxas de reação.
- Taxas de reação e taxas de recuperação consistentes permaneceram consistentes durante todo o experimento.
- A massa de alumínio ativado aumentou para mais de 50 g a partir de 5 L de solução de água do mar.
- O peso do material recuperado foi maior que a massa de entrada do eGaIn. Isso prova ainda mais a presença de elementos adicionais.
- Após a reação ocorrer em água DI por 24 horas, o eGaIn se separou de outros materiais.
- Os eGaIn separados têm taxas de recuperação de 90% a 100%.
Posteriormente, o eutético recuperado foi reutilizado para ativar mais alumínio fresco. A consistência observada ao longo da pesquisa demonstrou a possibilidade do eutético ser reciclado diversas vezes. Por meio disso, é possível ativar mais alumínio devido às soluções iônicas.
Os pesquisadores são inovadores criando combustíveis de baixo carbono com microalgas de águas residuais e água do mar.
Conclusão
Concluindo, a recuperação de eGaIn depende da formação de EDL. A redução de custos é possível devido à reativação de pellets de alumínio com eGaIn para produção de hidrogênio. Água do mar com 0.6 M NaCl foi usada na hidrólise com aceleradores. Aceleradores químicos como imidazol e cafeína mostraram impactos positivos nas taxas de reação e recuperação.
Além disso, o balanço energético é importante para o armazenamento de hidrogênio. Cerca de 2% da produção total de energia é necessária para o tratamento de alumínio para produção de combustível. Isso destaca ainda mais a alta capacidade de armazenamento necessária para isso. Assim, os pesquisadores estão continuamente analisando o custo e a pegada de carbono do processo. Isso ajudará a determinar a viabilidade econômica e a sustentabilidade da tecnologia.
