Med hjälp av flytande metaller är det möjligt att generera väte och värme från aluminium-vattenreaktion (AWR) genom mekanokemisk aktivering av aluminiumet. 1 Forskare visade accelererad väteproduktion från aluminium och havsvatten genom att tillsätta acceleratorer som imidazol och koffein till lösningen.
Syfte med studien: För att återvinna gallium-indium-eutektikum som används som ytbeläggning för att inducera aluminiums reaktivitet i vatten.
Accelererad väteproduktion från aluminium och havsvatten
I denna studie undersöker forskarna återvinningen av gallium-indium eutektikum (eGaIN). Detta material används för ytbehandling av aluminium. Forskare strävar efter att återanvända detta material för ytterligare aluminiumaktivering. Vidare utvärderar studien hur optimering av reaktionsförhållanden och kemiska acceleratorer sker för att effektivt generera väte samtidigt som eGaIn återvinns.
Höjdpunkter
- Aktiverat aluminium reagerar med vatten och genererar värme, vätgas och aluminiumoxihydroxid (en giftfri och värdefull vara).
- Det är en kostnadseffektiv och effektiv metod för väteproduktion och transport.
- Snabba reaktioner inträffar under 10 minuter efter att en liten mängd imidazol tillsatts till havsvattnet.
- Plötsliga reaktioner möjliggör återvinning och återanvändning av mer än 90 % av gallium-indium eutektikum.
- 99 % av den förväntade väteproduktionen producerades baserat på aluminiums massa.
- En snabb och fullständig reaktion av aluminium i saltvatten observerades när reaktionen utfördes vid höga temperaturer.
Också, för att minska kostnaderna och förbättra processens hållbarhet, är återvinning av indium och gallium viktigt. För att förhindra korrosion bildas ett skyddande oxidskikt när aluminium kommer i kontakt med syre. Detta oxidskikt måste brytas för att generera väte med höga effekttätheter.
Galliums och indiums roll för att producera grönt väte
AWR äger rum när aktivering med flytande metalleutektik använder metallegeringar med låg smältpunkt för att försvaga aluminiumet. Detta gör att vatten kan penetrera oxidskiktet. Här, gallium och indium har viktiga roller. Gallium kommer in i oxidskiktet och indium tillåter legeringen att nå korngränserna.
Vidare minskar forskare materialets duktilitet och hårdhet genom Rehbinder-effekten. Det resulterar i störande ytoxidfilmer och gör att eGaIn kan penetrera aluminiumet. Det är viktigt att förhindra förändringar vid återvinning av indium och gallium under reaktionen.
Enligt tidigare studier, säkerställs återvinningsbarheten av eGaIn i aluminiumaktivering genom att förbättra AWRs. En annan studie avslutar att aluminium reagerar med vatten och producerar väte, värme och aluminiumoxihydroxid (AIOOH). Den erbjuder också en hög energitäthet på 86 MJ/L, vilket är dubbelt så mycket som diesel och 40 gånger mer än Li-ion-batterier.
Ungefär hälften av energin som är involverad i AWR släpper ut i form av gasformigt väte. Den återstående hälften frigörs som termisk energi på mellan 400-450 kJ mol aluminium. Här är en ekvation för att demonstrera processen. Q1 och Q2 representerar värmen som frigörs vid varje reaktion.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Ekvation 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Ekvation 2)
Jätteenergilagring i kolnanorörsrep än litiumbatterier, säger forskning
Observationer och resultat
Återhämtning i joniska lösningar att producera väte
Efter en 12-timmars reaktion av en aktiverad aluminiumpellet i 3.9 M NaCl-lösning kommer flytande eGaIn-partiklar fram. Dessa formationer och sammanslagning av dessa partiklar fortsatte med framsteg i reaktionen.
Elektronmikroskopi och röntgendiffraktionsanalyser (XRD) visar det flytande metallfas har ren gallium-indium-legering. Höga koncentrationer av aluminium och syre omger den.
Men analysen för att förstå skillnaderna mellan joniska lösningar, inklusive molekylstruktur och koncentrationer, återstår att göra. Detta kommer att rensa reaktionshastigheterna och återvinningshastigheterna.
Figuren visar utvecklingen av vätegenereringen över tiden. Detta inkluderar AWR i olika lösningar som tillsats av salter eller sulfater under isokora förhållanden. Det finns ett omvänt exponentiellt tillväxtmönster som når en asymptotisk gräns. Bilden nedan visar 2 olika regimer.
- 1:a regimen – Standard AWR i DI-vatten kännetecknad av reaktionen som börjar efter 30 sekunders induktionstid och slutförs inom 5 minuter.
- 2:a regimen – Det märktes i alla ämnen som innehåller klor. Den visar långsam reaktionshastighet och slutförs inom 250 till 1250 minuter (ca 4 till 21 timmar).
Observationer
- Upprepade experiment bekräftar att reaktionen saktar ner med närvaro av klor.
- Vissa sulfater bromsar standardreaktionen 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 och 0.25 M K2SO4.
- Andra upprätthåller höga reaktionshastigheter såsom 0.5 M FeSO4 och 3 M Al2ðSO4Þ3.
Förhållandet mellan kvoter och reaktionshastigheter
Tabellen nedan visar resultaten av olika experiment utförda i olika lösningar innehållande sulfater och salter. Syftet med detta var att analysera sambandet mellan utvinningsförhållanden och reaktionshastigheter.
| Typ av lösning | Återställningsförhållande (±5) | Reaktionshastighet (L/min/kgAl) |
| 3 M NaCl | 100.00 | 2.22 |
| 0.5 M Na2S4 | 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 CaS4 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25 M K2SO4 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5 M Mg SO4 | 100.00 | 5.62 |
Observationer
- Forskare finner anmärkningsvärt ömsesidigt beroende.
- Höga utvinningsförhållanden korrelerar med låga reaktionshastigheter.
- Snabba reaktioner hämmar återvinningen i salt- och sulfatlösningar i synnerhet.
- Återvinningen i DI-vatten är låg eller obefintlig på grund av eutektikens direkta reaktion med vatten.
Med utvecklingen av AWR drevs eutektiskt material i korngränserna ut eftersom partiklarnas storlek sträcker sig från mikrometer till millimeter. - Höga zeta-potentialvärden stabiliserar suspensionerna genom att underlätta den effektiva repulsionen av partiklar genom elektrostatiska krafter.
- eGaIn är negativt laddad attraherar positivt laddade joner som är beroende av dess zeta-potential och kolloidala stabilitet för återhämtning.
- Ett högt absolutvärde på potentialskillnaden förhindrar partiklarna från att närma sig varandra för sammansmältning.
Enligt mönstret har reaktionskinetiken en direkt inverkan på effektiviteten av eGaIn-återvinning i sådana lösningar. Även om AWR förekommer i de flesta vattenhaltiga medier, påverkar olika faktorer de aktiverande elementens återhämtning. Dessa faktorer inkluderar jonarten och lösningens temperatur.
Att använda fordonsreaktorer för att generera väte för transporttillämpningar verkar utmanande för att uppnå effektiv eGaIn-återvinning och snabba reaktioner. Det är avgörande för högre väteproduktionshastigheter för att driva motorer.
Kemiska acceleratorer för grön väteproduktion
En enkel accelerator vid testning av hushållsprodukter, koffein för AWR joniska lösningar. Luo et al. i en tidigare studie har redan betonat användningen av koffeinkomplex som katalysatorer i olika korskopplingsreaktioner.
Dessutom har nyare biomedicinska studier använt koffein som ett medel för gallium och aluminium. Det indikerar koffeinets potential i bindningsinteraktioner med metaller involverade i AWR-processen.
Sammantaget visar studierna att koffeinets egenskaper är säkra och snabba att absorbera molekyler. De har förmågan att bilda bindningar med andra ämnen. Detta förstärker ytterligare dess attraktivitet som en genomförbar accelerator i denna situation.
Observationer
- Ätkaffe har en högre reaktionshastighet.
- Forskare isolerar koffein, huvudkomponenten, och testar det sedan med högkvalitativ reagenskvalitet >99 %.
- Reaktionshastigheterna och väteutbytena visade konsistens över dessa olika koncentrationer. Reaktionstiden i detta experiment var cirka 5 minuter i samtliga fall.
Följande figur visar resultaten av att testa koffein.
Testar imidazol i saltat vatten
Imidazol, den cykliska komponenten som finns i koffeinets molekylära struktur, testades också. Forskare testade effekten av olika koncentrationer av imidazolen i saltat vatten. Det gav en bättre förståelse för de mikroskopiska mekanismerna som spelade.
Observationer
- Reaktionshastigheterna ökade signifikant när olika mängder imidazol tillsattes, från 0.02 till 1 m.
- Även med hög saltkoncentration (0.6 till 4 m NaCl) inträffade reaktionerna inom 20 minuter.
- Med ökande koncentrationer av imidazol eller koffein minskade eGaIn-återvinningskvoterna markant.
- Den bästa återvinningen uppnåddes med 33% erhållen vid en koncentration av 0.001 M.
- Bättre återvinningsförhållanden på cirka 90 % noterades med imidazol när dess koncentration reducerades till 0.02 M.
Fascinerande insikter om påverkan av föreningar som imidazol och kaffe på AWR i joniska lösningar avslöjades genom detta experiment. Reaktionshastigheterna ökar i alla fall med närvaron av fria kväveatomer som binder till metallytan. Dessutom påverkades återhämtningsförhållandena av styrkan hos dipolmomentet, olika molekylära strukturer, varierande geometri och elektronegativitet.
Inledande temperatureffekter
Återhämtningen av eGaIn var fortsatt hög kl cirka 90 % i 0.6 M NaCl vid 80 °C och cirka 77 % vid 90 °C. Sådana resultat verkar uppmuntra väteproduktion i fordonsmotorer. En minskning av återhämtningen vid 90°C indikerar dock en begränsning som tyder på närvaron av en temperaturtröskel som påverkar eGaIn-återvinningseffektiviteten. Sammantaget är denna insikt till hjälp för att optimera AWR-processen för praktisk tillämpning, särskilt i scenarier som havsvattenförhållanden.
Det är intressant hur Bronsålderns eldtegelteknik kan bana en överkomlig väg till Net Zero-utsläpp för 149 länder.
Havsvattentestning, uppskalning och återanvändning av eGaIn
För att verifiera experimentets funktionsduglighet testades havsvatten med och utan acceleratorer. Forskare samlade vatten från Revere Beach i Revere, MA, USA, som matas av Atlanten. Försök genomfördes med samma metoder.
Observationer
- Vid rumstemperatur har 0.6 M NaCl-lösningen och verkligt havsvatten liknande beteende när det gäller väteproduktion och reaktionshastighet.
- Tillsatsen av kemiska acceleratorer som koffein eller imidazol och förvärmning av saltvattnet resulterade i ökade reaktionshastigheter.
- Konsekventa reaktionshastigheter och utvinningsförhållanden förblev konsekventa under hela experimentet.
- Aktiverad aluminiummassa ökade till mer än 50 g från 5 L havsvattenlösning.
- Vikten av det återvunna materialet var mer än eGaIn-inmatningsmassan. Det bevisar ytterligare närvaron av ytterligare element.
- Efter att reaktionen ägt rum i DI-vatten under 24 timmar separerades eGaIn från andra material.
- Den separerade eGaIn har återvinningsgrad från 90 % till 100 %.
Därefter återanvändes den återvunna eutektiken för att aktivera mer färskt aluminium. Konsistensen som observerades under hela forskningen visade på möjligheten att eutektik återvinns flera gånger. Genom detta är det möjligt att aktivera mer aluminium på grund av jonlösningarna.
Forskare är innovativa skapa koldioxidsnåla bränslen med mikroalger från avloppsvatten och havsvatten.
Slutsats
Sammanfattningsvis är eGaIn-återvinning beroende av EDL-bildning. Kostnadsminskningar är möjliga tack vare reaktivering av aluminiumpellets med eGaIn för vätgasproduktion. Havsvatten med 0.6 M NaCl användes vid hydrolys med acceleratorer. Kemiska acceleratorer som imidazol och koffein visade positiva effekter på reaktions- och återvinningshastigheter.
Dessutom är energibalansen viktig för vätgaslagring. Cirka 2 % av den totala energiproduktionen krävs för aluminiumbehandling för bränsleproduktion. Det framhäver ytterligare den höga lagringskapacitet som krävs av den. Således analyserar forskare kontinuerligt processens kostnad och koldioxidavtryck. Detta kommer att hjälpa till att fastställa teknologins ekonomiska bärkraft och hållbarhet.
