Используя жидкие металлы, можно получать водород и тепло из реакции алюминия с водой (AWR) посредством механохимической активации алюминия. 1 Исследователи продемонстрировали ускоренное производство водорода из алюминия и морской воды, добавив в раствор ускорители, такие как имидазол и кофеин.
Цель исследования : Восстановить эвтектику галлия-индия, используемую в качестве поверхностного покрытия для повышения реакционной способности алюминия в воде.
Ускоренное производство водорода из алюминия и морской воды
В этом исследовании ученые изучают восстановление эвтектики галлия-индия (eGaIN). Этот материал используется для поверхностной обработки алюминия. Ученые стремятся повторно использовать этот материал для дальнейшей активации алюминия. Кроме того, исследование оценивает, как происходит оптимизация условий реакции и химических ускорителей для эффективного получения водорода при восстановлении eGaIn.
Основные моменты:
- Активированный алюминий реагирует с водой, выделяя тепло, газообразный водород и оксигидроксид алюминия (нетоксичный и ценный продукт).
- Это экономически эффективный и действенный метод производства и транспортировки водорода.
- Быстрые реакции происходят менее чем за 10 минут после добавления небольшого количества имидазола в морскую воду.
- Внезапные реакции позволяют извлекать и повторно использовать более 90% эвтектики галлия-индия.
- 99% предполагаемого выхода водорода было получено в расчете на массу алюминия.
- Быстрая и полная реакция алюминия в соленой воде наблюдалась, когда реакция проводилась при высоких температурах.
Кроме того, для снижения затрат и повышения экологичности процесса важна переработка индия и галлия. Для предотвращения коррозии при контакте алюминия с кислородом образуется защитный оксидный слой. Этот оксидный слой необходимо разрушить для получения водорода с высокой удельной мощностью.
Роль галлия и индия в производстве зеленого водорода
Активация с помощью эвтектики жидких металлов происходит при использовании низкоплавких металлических сплавов для ослабления алюминия. Это позволяет воде проникать в оксидный слой. Здесь важную роль играют галлий и индий . Галлий проникает в оксидный слой, а индий позволяет сплаву достигать границ зерен.
Далее исследователи снижают пластичность и твердость материала с помощью эффекта Ребиндера. Это приводит к разрушению поверхностных оксидных пленок и позволяет eGaIn проникать в алюминий. Важно предотвратить любые изменения при переработке индия и галлия во время реакции.
Согласно предыдущим исследованиям , возможность восстановления eGaIn при активации алюминия обеспечивается за счет повышения AWR. Другое исследование показало , что алюминий реагирует с водой, выделяя водород, тепло и оксигидроксид алюминия (AIOOH). Он также обладает высокой плотностью энергии 86 МДж/л, что в два раза больше, чем у дизельного топлива, и в 40 раз больше, чем у литий-ионных батарей.
Около половины энергии, участвующей в AWR, выделяется в виде газообразного водорода. Оставшаяся половина выделяется в виде тепловой энергии в диапазоне от 400 до 450 кДж моль алюминия. Вот уравнение, демонстрирующее процесс. Q1 и Q2 представляют тепло, выделяемое каждой реакцией.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Уравнение 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (уравнение 2)
Наблюдения и результаты
Восстановление в ионных растворах для производства водорода
После 12-часовой реакции активированной алюминиевой гранулы в растворе NaCl 3.9 М появляются жидкие частицы eGaIn. Эти образования и слияние этих частиц продолжались по мере продвижения реакции.
Анализы с помощью электронной микроскопии и рентгеновской дифракции (РД) показывают, что жидкометаллическая фаза представляет собой чистый сплав галлия и индия . Вокруг нее находятся высокие концентрации алюминия и кислорода.
Однако анализ для понимания различий между ионными растворами, включая молекулярную структуру и концентрации, еще предстоит провести. Это позволит выяснить скорости реакции и скорости восстановления.
На рисунке показано развитие генерации водорода с течением времени. Это включает AWR в различных растворах, таких как добавление солей или сульфатов в изохорных условиях. Существует обратная экспоненциальная модель роста, достигающая асимптотического предела. На изображении ниже показаны 2 различных режима.
- 1-й режим – Стандартный AWR в деионизированной воде характеризуется реакцией, которая начинается через 30 секунд после начала индукции и завершается в течение 5 минут.
- 2-й режим – Замечено во всех хлорсодержащих веществах. Реакция протекает медленно и завершается в течение 250–1250 минут (примерно от 4 до 21 часа).
Наблюдения
- Повторные эксперименты подтверждают, что реакция замедляется в присутствии хлора.
- Некоторые сульфаты замедляют стандартную реакцию: 0.5 М MgSO4, 0.5 М CaSO4, 0.5 М Na2SO4 и 0.25 М K2SO4.
- Другие поддерживают высокие скорости реакции, такие как 0.5 M FeSO4 и 3 M Al2ðSO4Þ3.
Связь между отношениями и скоростями реакции
В таблице ниже показаны результаты различных экспериментов, проведенных в различных растворах, содержащих сульфаты и соли. Целью этого было проанализировать связь между коэффициентами восстановления и скоростями реакции.
| Тип решения | Коэффициент восстановления (±5) | Скорость реакции (л/мин/кгAl) |
| 3 М NaCl | 100.00 | 2.22 |
| 0.5 М Na2SO4 | 97.12 | 3.48 |
| 0.1 М Al2(SO4)3 | 0.00 | 212.65 |
| 0.1 М FeSO4 | 0.00 | 1,159.42 |
| 0.1 М CaSO4 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25 М K2SO4 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5 М MgSO4 | 100.00 | 5.62 |
Наблюдения
- Исследователи обнаруживают заметную взаимозависимость.
- Высокие коэффициенты восстановления коррелируют с низкими скоростями реакции.
- Быстрые реакции особенно затрудняют восстановление в солевых и сульфатных растворах.
- Восстановление в деионизированной воде низкое или отсутствует из-за прямой реакции эвтектики с водой.
По мере развития AWR эвтектический материал на границах зерен вытесняется, поскольку размеры частиц варьируются от микрометров до миллиметров. - Высокие значения дзета-потенциала стабилизируют суспензии, способствуя эффективному отталкиванию частиц посредством электростатических сил.
- eGaIn, будучи отрицательно заряженным, притягивает положительно заряженные ионы, восстановление которых зависит от его дзета-потенциала и коллоидной стабильности.
- Высокое абсолютное значение разности потенциалов не позволяет частицам приближаться друг к другу для слияния.
Согласно схеме, кинетика реакции напрямую влияет на эффективность восстановления eGaIn в таких растворах. Хотя AWR происходит в большинстве водных сред, на восстановление активирующих элементов влияют различные факторы. К этим факторам относятся ионные виды и температура раствора.
Использование реакторов в транспортных средствах для получения водорода для транспортных приложений кажется сложным в достижении эффективного восстановления eGaIn и быстрых реакций. Это имеет решающее значение для более высоких скоростей производства водорода для питания двигателей.
Химические ускорители для производства зеленого водорода
В качестве простого ускорителя в тестировании бытовых товаров используется кофеин для ионных растворов AWR . В предыдущем исследовании Ло и др. уже подчеркивали использование комплексов кофеина в качестве катализаторов в различных реакциях кросс-сочетания.
Более того, в недавних биомедицинских исследованиях кофеин использовался в качестве агента для связывания галлия и алюминия . Это указывает на потенциал кофеина в образовании связей с металлами, участвующими в процессе AWR.
В целом, исследования показывают, что характеристики кофеина безопасны и быстры в поглощении молекул. Они обладают способностью образовывать связи с другими веществами. Это еще больше усиливает его привлекательность как жизнеспособного ускорителя в этой ситуации.
Наблюдения
- У съедобного кофе скорость реакции выше.
- Исследователи выделяют кофеин, основной компонент, а затем тестируют его с использованием высококачественного реагента чистотой >99%.
- Скорости реакции и выходы водорода показали постоянство при этих различных концентрациях. Время реакции в этом эксперименте во всех случаях составляло около 5 минут.
На следующем рисунке показаны результаты тестирования кофеина.
Тестирование имидазола в соленой воде
Имидазол, циклический компонент, обнаруженный в молекулярной структуре кофеина, также был протестирован. Исследователи протестировали эффект различных концентраций имидазола в соленой воде. Это позволило лучше понять микроскопические механизмы, задействованные в этом процессе.
Наблюдения
- Скорость реакции значительно увеличивалась при добавлении различных количеств имидазола в диапазоне от 0.02 до 1 м.
- Даже при высокой концентрации соли (от 0.6 до 4 м NaCl) реакции происходили в течение 20 минут.
- С увеличением концентрации имидазола или кофеина коэффициенты восстановления eGaIn заметно снижались.
- Наилучшее извлечение составило 33% при концентрации 0.001 М.
- Более высокие показатели извлечения, около 90%, были отмечены при использовании имидазола, когда его концентрация была снижена до 0.02 М.
В ходе этого эксперимента были получены захватывающие сведения о влиянии таких соединений, как имидазол и кофе, на AWR в ионных растворах. Скорость реакции во всех случаях увеличивается при наличии свободных атомов азота, связанных с поверхностью металлов. Более того, на коэффициенты восстановления влияют сила дипольного момента, разнообразная молекулярная структура, изменяющаяся геометрия и электроотрицательность.
Начальные температурные эффекты
Степень извлечения eGaIn оставалась высокой и составляла около 90% в 0.6 М NaCl при 80°C и около 77% при 90°C. Такие результаты, по-видимому, способствуют производству водорода в автомобильных двигателях. Однако снижение степени извлечения при 90°C указывает на ограничение, предполагающее наличие температурного порога, влияющего на эффективность извлечения eGaIn. В целом, это понимание полезно для оптимизации процесса AWR для практического применения, особенно в условиях морской воды.
Интересно, как технология производства огнеупорного кирпича бронзового века может проложить доступный путь к нулевым выбросам для 149 стран.
Тестирование морской воды, масштабирование и повторное использование eGaIn
Для проверки работоспособности эксперимента морская вода была протестирована с ускорителями и без них. Исследователи собрали воду из пляжа Ревир в Ревире, штат Массачусетс, США, который питается Атлантическим океаном. Испытания проводились с использованием тех же методов.
Наблюдения
- При комнатной температуре 0.6 М раствор NaCl и настоящая морская вода ведут себя схожим образом с точки зрения выделения водорода и скорости реакции.
- Добавление химических ускорителей, таких как кофеин или имидазол, и предварительный нагрев соленой воды привели к увеличению скорости реакции.
- Постоянные скорости реакции и коэффициенты восстановления оставались неизменными на протяжении всего эксперимента.
- Масса активированного алюминия увеличилась до более чем 50 г из 5 л раствора морской воды.
- Вес извлеченного материала превысил массу входного eGaIn. Это еще раз доказывает наличие дополнительных элементов.
- После реакции, которая происходила в деионизированной воде в течение 24 часов, eGaIn отделился от других материалов.
- Разделенные eGaIn имеют коэффициенты восстановления от 90% до 100%.
После этого восстановленная эвтектика была повторно использована для активации большего количества свежего алюминия. Наблюдаемая в ходе исследования последовательность продемонстрировала возможность многократной переработки эвтектики. Благодаря этому можно активировать больше алюминия за счет ионных растворов.
Исследователи разрабатывают инновационные низкоуглеродные виды топлива с использованием микроводорослей из сточных и морских вод.
Заключение
В заключение, восстановление eGaIn зависит от формирования EDL. Снижение затрат возможно за счет реактивации алюминиевых гранул с eGaIn для производства водорода. Морская вода с 0.6 M NaCl использовалась в гидролизе с ускорителями. Химические ускорители, такие как имидазол и кофеин, показали положительное влияние на скорость реакции и восстановления.
Более того, энергетический баланс важен для хранения водорода. Около 2% от общего объема энергии требуется для обработки алюминия для производства топлива. Это еще раз подчеркивает высокую емкость хранения, требуемую для этого. Таким образом, исследователи постоянно анализируют стоимость и углеродный след процесса. Это поможет в определении экономической жизнеспособности и устойчивости технологии.
