Sıvı metaller kullanılarak, alüminyumun mekanokimyasal aktivasyonu yoluyla alüminyum-su reaksiyonundan (AWR) hidrojen ve ısı üretmek mümkündür. 1 Araştırmacılar, çözeltiye imidazol ve kafein gibi hızlandırıcılar ekleyerek alüminyum ve deniz suyundan hızlandırılmış hidrojen üretimi gösterdiler.
Çalışmanın Amacı : Alüminyumun suda reaktivitesini artırmak için yüzey kaplaması olarak kullanılan galyum-indiyum ötektiğini geri kazanmak.
Alüminyum ve Deniz Suyundan Hızlandırılmış Hidrojen Üretimi
Bu çalışmada araştırmacılar, galyum-indiyum ötektiğinin (eGaIN) geri kazanımını inceliyor. Bu malzeme alüminyumun yüzey işlemi için kullanılıyor. Bilim insanları bu malzemeyi daha fazla alüminyum aktivasyonu için yeniden kullanmayı amaçlıyor. Ayrıca çalışma, eGaIn geri kazanılırken hidrojeni verimli bir şekilde üretmek için reaksiyon koşullarının ve kimyasal hızlandırıcıların optimizasyonunun nasıl gerçekleştiğini değerlendiriyor.
Özet:
- Aktifleştirilmiş alüminyum su ile reaksiyona girerek ısı, hidrojen gazı ve alüminyum oksihidroksit (toksik olmayan ve değerli bir madde) üretir.
- Hidrojen üretimi ve taşınmasında maliyet etkin ve verimli bir yöntemdir.
- Deniz suyuna az miktarda imidazol eklendiğinde 10 dakikadan kısa sürede hızlı reaksiyonlar meydana gelir.
- Ani reaksiyonlar galyum-indiyum ötektiğinin %90'ından fazlasının geri kazanılıp tekrar kullanılmasını sağlar.
- Öngörülen hidrojen üretiminin yüzde 99'u alüminyumun kütlesinden sağlandı.
- Alüminyumun tuzlu suda hızlı ve tam bir reaksiyon gösterdiği, reaksiyon yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirildiğinde gözlemlendi.
Ayrıca, maliyeti düşürmek ve sürecin sürdürülebilirliğini artırmak için indiyum ve galyumun geri dönüşümü önemlidir. Korozyonu önlemek için, alüminyum oksijenle temas ettiğinde koruyucu bir oksit tabakası oluşur. Yüksek güç yoğunluğuna sahip hidrojen üretmek için bu oksit tabakasının bozulması gerekir.
Yeşil Hidrojen Üretiminde Galyum ve İndiyumun Rolü
AWR, sıvı metal ötektik ile aktivasyon sırasında düşük erime noktalı metal alaşımlarının alüminyumu zayıflatmasıyla gerçekleşir. Bu, suyun oksit tabakasına nüfuz etmesine olanak tanır. Burada galyum ve indiyum önemli roller oynar . Galyum oksit tabakasına girer ve indiyum alaşımın tane sınırlarına ulaşmasını sağlar.
Ayrıca araştırmacılar, Rehbinder etkisi ile malzemenin sünekliğini ve sertliğini azaltır. Bu, yüzey oksit filmlerinin bozulmasına ve eGaIn'in alüminyuma nüfuz etmesine neden olur. Reaksiyon sırasında indiyum ve galyumun geri dönüştürülmesi sırasında herhangi bir değişikliğin önlenmesi önemlidir.
Önceki çalışmalara göre , alüminyum aktivasyonunda eGaIn'in geri kazanılabilirliği, AWR'lerin geliştirilmesiyle sağlanmaktadır. Başka bir çalışma ise alüminyumun su ile reaksiyona girerek hidrojen, ısı ve alüminyum oksihidroksit (AIOOH) ürettiği sonucuna varmıştır. Ayrıca, dizelden iki kat, lityum iyon pillerden ise 40 kat daha fazla olan 86 MJ/L'lik yüksek bir enerji yoğunluğu sunmaktadır.
AWR'lerde yer alan enerjinin yaklaşık yarısı gaz halindeki hidrojen formunda salınır. Kalan yarısı 400-450 kJ mol alüminyum arasında değişen termal enerji olarak salınır. İşte işlemi gösteren bir denklem. Q1 ve Q2 her reaksiyon tarafından salınan ısıyı temsil eder.
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (Denklem 1)
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (Denklem 2)
Araştırmaya göre karbon nanotüplerdeki dev enerji depolaması lityum pillerden daha güçlü
Gözlemler ve Sonuçlar
İyonik Çözümlerde Kurtarma Hidrojen Üretmek
12 M NaCl çözeltisinde aktive edilmiş bir alüminyum peletinin 3.9 saatlik reaksiyonundan sonra sıvı eGaIn parçacıkları ortaya çıktı. Bu oluşumlar ve bu parçacıkların birleşmesi reaksiyondaki ilerlemeyle devam etti.
Elektron mikroskopi ve X-ışını kırınımı (XRD) analizleri, sıvı metal fazının saf galyum-indiyum alaşımı olduğunu göstermektedir . Çevresinde yüksek konsantrasyonlarda alüminyum ve oksijen bulunmaktadır.
Ancak, moleküler yapı ve konsantrasyonlar dahil olmak üzere iyonik çözümler arasındaki farkları anlamak için analiz henüz yapılmadı. Bu, reaksiyon oranlarını ve geri kazanım oranlarını netleştirecektir.
Şekil, zaman içinde hidrojen üretiminin ilerlemesini gösterir. Bu, izokorik koşullar altında tuz veya sülfat ekleme gibi farklı çözümlerde AWR'yi içerir. Asimptotik bir sınıra ulaşan ters bir üstel büyüme paterni vardır. Aşağıdaki görüntü 2 farklı rejimi gösterir.
- 1. rejim – DI sudaki standart AWR, indüksiyon süresinin 30 saniyesinden sonra başlayan ve 5 dakika içinde tamamlanan reaksiyonla karakterize edilir.
- 2. rejim – Klor içeren tüm maddelerde fark edilmiştir. Yavaş reaksiyon hızı gösterir ve 250 ila 1250 dakika (yaklaşık 4 ila 21 saat) içinde tamamlanır.
Gözlemler
- Tekrarlanan deneyler, klorun varlığında reaksiyonun yavaşladığını doğrulamaktadır.
- Bazı sülfatlar standart reaksiyonu yavaşlatır 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4 ve 0.25 M K2SO4.
- Diğerleri ise 0.5 M FeSO4 ve 3 M Al2ðSO4Þ3 gibi yüksek reaksiyon hızlarını korurlar.
Oranlar ve Tepkime Hızları Arasındaki İlişki
Aşağıdaki tablo, sülfatlar ve tuzlar içeren çeşitli çözeltilerde yürütülen çeşitli deneylerin sonuçlarını göstermektedir. Bunun amacı, geri kazanım oranları ile reaksiyon hızları arasındaki ilişkiyi analiz etmektir.
| Çözüm Türü | Kurtarma Oranı (±5) | Tepkime hızı (L/dak/kgAl) |
| 3M 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 |
Gözlemler
- Araştırmacılar dikkate değer bir karşılıklı bağımlılık buldular.
- Yüksek geri kazanım oranları düşük reaksiyon hızlarıyla ilişkilidir.
- Hızlı reaksiyonlar özellikle tuz ve sülfat çözeltilerinde geri kazanımı engeller.
- Ötektiğin su ile direkt reaksiyona girmesi nedeniyle DI suyunda geri kazanım düşüktür veya yoktur.
AWR'nin gelişmesiyle tane sınırlarındaki ötektik malzeme, mikrometreden milimetreye kadar değişen boyutlarda parçacıklar halinde dışarı atılır. - Yüksek zeta potansiyeli değerleri, elektrostatik kuvvetler aracılığıyla parçacıkların etkili bir şekilde itilmesini kolaylaştırarak süspansiyonları stabilize eder.
- eGaIn'in negatif yüklü olması, zeta potansiyeline ve kolloidal kararlılığına bağlı olarak geri kazanımı sağlayan pozitif yüklü iyonları kendine çeker.
- Potansiyel farkının mutlak değerinin yüksek olması parçacıkların birleşmek üzere birbirlerine yaklaşmasını engeller.
Desene göre, reaksiyon kinetiği bu tür çözeltilerde eGaIn geri kazanımının verimliliği üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. AWR çoğu sulu ortamda meydana gelse de, çeşitli faktörler aktive edici elementlerin geri kazanımını etkiler. Bu faktörler arasında iyonik türler ve çözeltinin sıcaklığı bulunur.
Taşımacılık uygulamaları için hidrojen üretmek amacıyla araç içi reaktörlerin kullanılması, verimli eGaIn geri kazanımı ve hızlı reaksiyonlar elde etmede zorlu görünüyor. Motorlara güç sağlamak için daha yüksek hidrojen üretim oranları için çok önemlidir.
Kimyasal Hızlandırıcılar Yeşil Hidrojen Üretimi için
Ev ürünleri testlerinde basit bir hızlandırıcı olan kafein, AWR iyonik çözeltilerinde kullanılmaktadır . Luo ve arkadaşları daha önceki bir çalışmada, çeşitli çapraz bağlama reaksiyonlarında katalizör olarak kafein komplekslerinin kullanımını zaten vurgulamışlardı.
Dahası, son biyomedikal çalışmalar kafeini galyum ve alüminyum için bir etken madde olarak kullanmıştır . Bu , kafeinin AWR sürecinde yer alan metallerle bağ kurma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir .
Genel olarak, çalışmalar kafeinin özelliklerinin güvenli ve molekülleri emmede hızlı olduğunu göstermektedir. Diğer maddelerle bağ oluşturma yeteneğine sahiptirler. Bu, bu durumda uygulanabilir bir hızlandırıcı olarak çekiciliğini daha da artırmaktadır.
Gözlemler
- Yenilebilir kahvenin reaksiyon hızı daha yüksektir.
- Araştırmacılar ana bileşen olan kafeini izole ediyor ve ardından %99'dan yüksek kaliteli reaktif kullanarak test ediyor.
- Reaksiyon oranları ve hidrojen verimleri bu farklı konsantrasyonlarda tutarlılık gösterdi. Bu deneydeki reaksiyon süresi tüm durumlarda yaklaşık 5 dakikaydı.
Aşağıdaki şekil kafein testinin sonuçlarını göstermektedir.
Tuzlu Suda İmidazol Testi
Kafeinin moleküler yapısında bulunan siklik bileşen olan imidazol de test edildi. Araştırmacılar, tuzlu suda çeşitli imidazol konsantrasyonlarının etkisini test ettiler. Bu, oyundaki mikroskobik mekanizmaların daha iyi anlaşılmasını sağladı.
Gözlemler
- Farklı miktarlarda imidazol eklendiğinde reaksiyon hızları önemli ölçüde arttı; bu miktarlar 0.02 ila 1 m arasında değişti.
- Yüksek tuz konsantrasyonunda (0.6 ila 4 m NaCl) bile reaksiyonlar 20 dakika içinde gerçekleşti.
- İmidazol veya kafein konsantrasyonlarının artmasıyla eGaIn geri kazanım oranları belirgin şekilde azaldı.
- En iyi geri kazanım 33 M konsantrasyonda %0.001 olarak elde edildi.
- İmidazolün konsantrasyonu 90 M'ye düşürüldüğünde yaklaşık %0.02'lık daha iyi geri kazanım oranları fark edildi.
Bu deneyle, imidazol ve kahve gibi bileşiklerin iyonik çözeltilerdeki AWR üzerindeki etkisine dair büyüleyici içgörüler ortaya çıkarıldı. Reaksiyon oranları, metallerin yüzeyine bağlanan serbest nitrojen atomlarının varlığıyla tüm durumlarda artar. Dahası, geri kazanım oranları dipol momentinin gücü, çeşitli moleküler yapı, değişen geometri ve elektronegatiflikten etkilenmiştir.
İlk Sıcaklık Etkileri
eGaIn'in geri kazanımı, 80°C'de 0.6 M NaCl'de yaklaşık %90 ve 90°C'de yaklaşık %77 gibi yüksek seviyelerde kaldı . Bu sonuçlar, araç motorlarında hidrojen üretimini teşvik ediyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, 90°C'de geri kazanımda görülen azalma, eGaIn geri kazanım verimliliğini etkileyen bir sıcaklık eşiğinin varlığını gösteren bir sınırlamayı işaret etmektedir. Genel olarak, bu bilgi, özellikle deniz suyu koşulları gibi senaryolarda, AWR sürecinin pratik uygulamalar için optimize edilmesinde faydalıdır.
Bronz Çağı'na ait ateş tuğlası teknolojisinin, 149 ülke için net sıfır emisyona ulaşmanın uygun maliyetli bir yolunu nasıl açabileceği oldukça ilgi çekici.
Deniz Suyu Testi, Ölçeklendirme ve eGaIn'in Yeniden Kullanımı
Deneyin işlerliğini doğrulamak için deniz suyu hızlandırıcılarla ve hızlandırıcılar olmadan test edildi. Araştırmacılar, ABD'nin Massachusetts eyaletine bağlı Revere şehrindeki Atlantik Okyanusu'yla beslenen Revere Plajı'ndan su topladılar. Denemeler aynı yöntemler kullanılarak yürütüldü.
Gözlemler
- Oda sıcaklığında 0.6 M NaCl çözeltisi ve gerçek deniz suyu, hidrojen üretimi ve reaksiyon hızı açısından benzer davranış göstermektedir.
- Kafein veya imidazol gibi kimyasal hızlandırıcıların eklenmesi ve tuzlu suyun önceden ısıtılması, reaksiyon hızlarının artmasına neden oldu.
- Deney boyunca tutarlı reaksiyon oranları ve geri kazanım oranları tutarlı kaldı.
- 50 L deniz suyu çözeltisinde aktifleştirilmiş alüminyum kütlesi 5 gr'ın üzerine çıktı.
- Kurtarılan malzemenin ağırlığı eGaIn giriş kütlesinden daha fazlaydı. Bu ayrıca ek elementlerin varlığını kanıtlıyor.
- Reaksiyon 24 saat boyunca DI su içerisinde gerçekleştiğinde, eGaIn diğer malzemelerden ayrıldı.
- Ayrılmış eGaIn'lerin geri kazanım oranları %90 ile %100 arasındadır.
Daha sonra, geri kazanılan ötektik daha fazla taze alüminyumu aktive etmek için tekrar kullanıldı. Araştırma boyunca gözlemlenen tutarlılık ötektiğin birkaç kez geri dönüştürülme olasılığını gösterdi. Bu sayede, iyonik çözeltiler nedeniyle daha fazla alüminyumu aktive etmek mümkün oldu.
Araştırmacılar, atık su ve deniz suyundan elde edilen mikroalglerle yenilikçi bir şekilde düşük karbonlu yakıtlar üretiyorlar.
Sonuç
Sonuç olarak, eGaIn geri kazanımı EDL oluşumuna dayanır. Maliyet düşüşü, alüminyum peletlerinin hidrojen üretimi için eGaIn ile yeniden aktive edilmesi nedeniyle mümkündür. Hızlandırıcılarla hidrolizde 0.6 M NaCl içeren deniz suyu kullanıldı. İmidazol ve kafein gibi kimyasal hızlandırıcılar reaksiyon ve geri kazanım oranları üzerinde olumlu etkiler gösterdi.
Ayrıca, enerji dengesi hidrojen depolaması için önemlidir. Toplam enerji çıktısının yaklaşık %2'si yakıt üretimi için alüminyum işleme için gereklidir. Ayrıca bunun gerektirdiği yüksek depolama kapasitesini vurgular. Bu nedenle, araştırmacılar sürecin maliyetini ve karbon ayak izini sürekli olarak analiz etmektedir. Bu, teknolojinin ekonomik uygulanabilirliğini ve sürdürülebilirliğini belirlemeye yardımcı olacaktır.
