利用液态金属，可以通过对铝进行机械化学活化，从铝-水反应 (AWR) 中产生氢气和热量。1 研究人员通过在溶液中添加咪唑和咖啡因等加速剂，证明了铝和海水加速产氢。
研究目的：回收用作表面涂层的镓铟共晶，以诱导铝在水中的反应性。
加速利用铝和海水生产氢气
在这项研究中，研究人员研究了镓铟共晶（eGaIN）的回收。这种材料用于铝的表面处理。科学家的目标是重新使用这种材料来进一步活化铝。此外，该研究评估了如何优化反应条件和化学加速器以在回收 eGaIn 的同时有效产生氢气。
核心亮点
- 活性铝与水发生反应，产生热量、氢气和氢氧化铝（一种无毒且有价值的商品）。
- 这是一种经济且高效的氢气生产和运输方法。
- 将少量咪唑加入海水后，10分钟内即可发生快速反应。
- 突然的反应使得90%以上的镓铟共晶能够被回收和再利用。
- 预计氢气产量的99%是基于铝的质量产生的。
- 当反应在高温下进行时，观察到铝在盐水中的反应迅速而完全。
也， 降低成本并提高流程的可持续性，回收铟和镓很重要。为了防止腐蚀，铝与氧气接触时会形成一层保护性氧化层。需要破坏这层氧化层才能产生高功率密度的氢气。
镓和铟在生产绿色氢气中的作用
当液态金属共晶活化使用低熔点金属合金来削弱铝时，就会发生 AWR。这允许水渗透到氧化层中。在这里， 镓和铟发挥重要作用.镓进入氧化层，铟使合金达到晶界。
此外，研究人员通过 Rehbinder 效应降低了材料的延展性和硬度。这会导致表面氧化膜破坏，使 eGaIn 能够渗透到铝中。在反应过程中回收铟和镓时，防止任何变化非常重要。
按照 先前的研究，通过增强AWR，保证了eGaIn在铝活化中的可恢复性。 另一项研究得出结论 铝与水反应生成氢气、热量和氢氧化铝（AIOOH），能量密度高达86MJ/L，是柴油的两倍，锂离子电池的40倍。
AWR 中约一半的能量以气态氢的形式释放。剩余一半以热能形式释放，范围在 400-450 kJ 摩尔铝之间。以下方程式演示了该过程。Q1 和 Q2 表示每个反应释放的热量。
- Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 （公式 1）
- Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2（方程式 2）
观察和结果
离子溶液中的回收率 生产氢气
活化铝粒在 12 M NaCl 溶液中反应 3.9 小时后，液态 eGaIn 颗粒出现。随着反应的进行，这些颗粒不断形成和融合。
电子显微镜和 X 射线衍射 (XRD) 分析表明 液态金属相为纯镓铟合金.其周围充满高浓度的铝和氧。
然而，了解离子溶液之间的差异（包括分子结构和浓度）的分析尚未完成。这将明确反应速率和回收率。
该图显示了氢气生成随时间的变化过程。其中包括不同溶液中的 AWR，例如在等容条件下添加盐或硫酸盐。存在达到渐近极限的逆指数增长模式。下图显示了 2 种不同的状态。
- 第一制度 – 去离子水中的标准 AWR 的特点是反应在 30 秒诱导时间后开始并在 5 分钟内完成。
- 第二个政权 – 在所有含氯物质中都观察到了这种现象。反应速度较慢，在 250 至 1250 分钟内完成（约 4 至 21 小时）。
观察
- 反复实验证实，氯的存在会使该反应减慢。
- 一些硫酸盐会减慢标准反应 0.5 M MgSO4、0.5 M CaSO4、0.5 M Na2SO4 和 0.25 M K2SO4。
- 其他溶液保持较高的反应速率，例如 0.5 M FeSO4 和 3 M Al2ðSO4Þ3。
比率与反应速率之间的关系
下表显示了在含有硫酸盐和盐的各种溶液中进行的各种实验的结果。目的是分析回收率和反应速率之间的关系。
| 解决方案类型 | 回收率（±5） | 反应速率 (L/min/kgAl) |
| 3 M 氯化钠 | 100.00 | 2.22 |
| 0.5 M 硫酸钠 | 97.12 | 3.48 |
| 0.1 M Al2(SO4)3 | 0.00 | 212.65 |
| 0.1 M 硫酸铁 | 0.00 | 1,159.42 |
| 0.1 M 硫酸钙 | 0.00 | 12.71 |
| 0.25 M 硫酸钾 | 80.64 | 3.03 |
| 0.5 M 硫酸镁 | 100.00 | 5.62 |
观察
- 研究人员发现显著的相互依赖性。
- 高回收率与低反应率相关。
- 快速反应尤其会抑制盐和硫酸盐溶液中的回收。
- 由于共晶混合物与水直接发生反应，去离子水中的回收率很低甚至不存在。
随着AWR的进展，晶界中的共晶材料被排出，颗粒的尺寸范围从微米到毫米。 - 高 Zeta 电位值可通过静电力促进粒子的有效排斥，从而稳定悬浮液。
- 带负电荷的 eGaIn 会吸引带正电荷的离子，而正电荷的离子则依赖于其电位和胶体稳定性进行恢复。
- 较高的电位差绝对值会阻止粒子相互接近和聚结。
根据该模式，反应动力学对此类溶液中 eGaIn 的回收效率有直接影响。尽管 AWR 发生在大多数水性介质中，但各种因素都会影响活化元素的回收。这些因素包括离子种类和溶液温度。
使用车载反应堆为运输应用生成氢气似乎很难实现高效的 eGaIn 回收和快速反应。提高氢气生产率以驱动发动机至关重要。
化学促进剂 用于绿色氢气生产
家用产品测试中的简单加速器， 用于 AWR 离子溶液的咖啡因. Luo 等人在之前的研究中 已经强调使用咖啡因复合物作为各种交叉偶联反应的催化剂。
此外，最近的生物医学研究已经使用咖啡因作为 镓和铝。 它表明 咖啡因在结合相互作用中的潜力 与 AWR 工艺中涉及的金属。
总体而言，研究表明，咖啡因的特点是安全、分子吸收迅速。它们能够与其他物质形成键。这进一步增强了其作为这种情况下可行加速器的吸引力。
观察
- 食用咖啡的反应率更高。
- 研究人员分离出主要成分咖啡因，然后使用纯度>99%的高质量试剂对其进行测试。
- 反应速率和氢气产量在不同浓度下表现出一致性。本实验的反应时间在所有情况下均为 5 分钟左右。
下图展示了咖啡因的测试结果。
在盐水中测试咪唑
咪唑是咖啡因分子结构中的环状成分，研究人员也对其进行了测试。研究人员测试了盐水中不同浓度的咪唑的效果。这让人们更好地了解了其中的微观机制。
观察
- 当添加不同量的咪唑（范围从0.02至1m）时，反应速率显著增加。
- 即使盐浓度很高（0.6 至 4 m NaCl），反应也会在 20 分钟内发生。
- 随着咪唑或咖啡因浓度的增加，eGaIn 回收率明显下降。
- 在浓度为 33 M 时获得了最佳回收率，回收率为 0.001%。
- 当咪唑浓度降低至 90 M 时，回收率更高，约为 0.02%。
通过这项实验，我们揭示了咪唑和咖啡等化合物对离子溶液中 AWR 的影响。在所有情况下，当自由氮原子与金属表面结合时，反应速率都会增加。此外，回收率还受到偶极矩强度、不同的分子结构、不同的几何形状和电负性的影响。
初始温度效应
eGaIn 的回收率仍保持在高位 在 90°C 的 0.6 M NaCl 中约为 80%，在 77°C 时约为 90%。 这些结果似乎鼓励了汽车发动机中的氢气生产。然而，90°C 下的回收率下降表明存在影响 eGaIn 回收效率的温度阈值。总体而言，这一见解有助于优化 AWR 工艺以用于实际应用，尤其是在海水条件等场景中。
有趣的是 青铜时代耐火砖技术可为 149 个国家铺就实现净零排放的经济之路.
eGaIn 的海水测试、扩大和再利用
为了验证实验的可操作性，研究人员对有和没有加速器的海水进行了测试。研究人员从美国马萨诸塞州里维尔的里维尔海滩收集了水，该海滩的水源来自大西洋。试验采用相同的方法进行。
观察
- 室温下，0.6 M NaCl溶液与真实海水在产氢量和反应速度方面具有相似的行为。
- 添加咖啡因或咪唑等化学加速剂并预热盐水可提高反应速率。
- 在整个实验过程中，反应速率和回收率保持一致。
- 从50L海水溶液中活化铝质量增加到5g以上。
- 回收材料的重量大于 eGaIn 输入质量。这进一步证明了存在其他元素。
- 在去离子水中反应 24 小时后，eGaIn 与其他材料分离。
- 分离出的eGaIn回收率为90%~100%。
此后，回收的共晶被重新使用，以激活更多的新鲜铝。整个研究过程中观察到的一致性证明了共晶被多次回收的可能性。通过这种方式，由于离子溶液的存在，可以激活更多的铝。
研究人员正在创新地 利用废水和海水中的微藻制造低碳燃料.
结语
总之，eGaIn 回收依赖于 EDL 的形成。由于铝粒与 eGaIn 重新活化以产生氢气，因此可以降低成本。使用含有 0.6 M NaCl 的海水与促进剂进行水解。咪唑和咖啡因等化学促进剂对反应和回收率有积极影响。
此外，能量平衡对于氢存储也很重要。铝处理燃料生产需要约 2% 的总能量输出。这进一步凸显了它所需的高存储容量。因此，研究人员正在不断分析该过程的成本和碳足迹。这将有助于确定该技术的经济可行性和可持续性。
