Алюминий, морская воды и кофеин: производство водорода
Ископаемые ресурсы, используемые для выработки энергии и топлива, имеют свойство заканчиваться. Пока это не произошло, но неизбежность исчерпания запасов неоспорима. Если же учесть экологическое влияние использование таких ресурсов, то поиски зеленой альтернативы являются одной из приоритетных задач современной науки. Но процесс этот не так прост как кажется, ведь необходимо найти источник, способный давать желаемое количество выходного материала, быть гомологичным и, что не мало важно, экономически выгодным. Ученые из Массачусетского технологического института (Кембридж, США) нашли способ использовать алюминий, морскую воду и кофеин для производства водорода, способного быть отличным топливом, не генерирующим выбросов углерода. Какие принципы легли в основу исследования, как именно ученые объединили столь разнообразные компоненты, и насколько их методика эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Водород и тепло могут быть получены из реакции алюминия с водой (AWR от aluminum-water reaction) посредством механохимической активации алюминия с использованием жидких металлов. В этом исследовании ученые решили изучить восстановление эвтектики галлия-индия (eGaIn), используемой для поверхностной обработки алюминия, с целью обеспечения ее последующего повторного использования для дальнейшей активации алюминия. Добавление химического ускорителя и условия реакции анализируются для эффективного получения водорода при сохранении восстановления eGaIn. Переработка дорогостоящих и дефицитных металлов, таких как галлий и индий, имеет решающее значение для снижения затрат и повышения устойчивости процесса.
Когда алюминий контактирует с кислородом, он образует на своей поверхности тонкий (2–5 нм) аморфный слой оксида алюмината Al2O3. Этот защитный слой действует как пассивирующий щит, предохраняя алюминий от коррозии. Если этот слой повреждается, он быстро восстанавливается при воздействии кислорода. Следовательно, чтобы инициировать AWR для производства водорода, необходимо разрушить внутренний оксидный слой алюминия (или «активировать» алюминий), что обеспечивает разумную плотность мощности при мягких условиях эксплуатации.
Активация через эвтектику жидкого металла заключается в использовании смеси сплавов металлов с низкой температурой плавления для охрупчивания основной массы алюминия и проникновения воды через оксидный слой, что позволяет происходить спонтанным AWR. В этой работе для активации алюминия использовался процесс с использованием комбинации жидкого металла галлия и индия. Предыдущие исследования показывают, что галлий проникает в поверхностный оксидный слой, в то время как индий позволяет сплаву жидкого металла проникать на границы зерен. Эффект Ребиндера, а именно снижение твердости и пластичности материала и разрушение поверхностных оксидных пленок поверхностно-активным веществом, снижающим поверхностную энергию, обеспечивает адсорбционное проникновение eGaIn, тем самым механохимически активируя основную массу алюминия.
Однако, поскольку галлий и индий являются дорогими и редкими металлами, этот процесс является дорогостоящим и неустойчивым. Следовательно, необходимо перерабатывать эти металлы в ходе реакции. Предотвращение любого изменения eGaIn во время процесса может позволить извлечь их и переработать для последующего использования. Более ранние исследования показывают, что галлий имеет потенциал образовывать агломераты в соленой воде или других ионных растворах из-за образования двойного электрического слоя (EDL от electrical double layer) вокруг блока галлия, препятствуя взаимодействию с другими реагентами и заставляя кластеры галлия в первую очередь объединяться посредством сил поверхностного натяжения.
Восстановление жидких металлов, таких как eGaIn, после реакции не было широко изучено. Большинство исследований демонстрируют пассивное физическое разделение жидкого металла во время реакции, но конкретные параметры, влияющие на это разделение, остаются неопределенными. Одно из возможных объяснений этого разделения включает побочные реакции между этими металлами и другими реагентами.
Водород все чаще признают чистым, эффективным и энергоемким топливом, которое может заменить ископаемое топливо. Он может питать двигатели внутреннего сгорания или использоваться для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов, что может значительно увеличить срок службы различных устройств при одновременном снижении затрат. Тем не менее водородный газ создает проблемы из-за своей низкой плотности и высокой воспламеняемости, особенно при хранении и транспортировке. Хранение водорода включает сжатие или охлаждение до жидкого состояния, что требует дополнительной энергии и, как следствие, экономических затрат.
Реакция алюминия с водой предлагается в качестве решения этой проблемы. Алюминий обладает исключительной объемной плотностью энергии 86 МДж/л и при реакции с водой дает водород, оксигидроксид алюминия (AlOOH) и тепло. Для сравнения, алюминий удерживает в два раза большую плотность энергии на единицу объема, чем дизельное топливо, и примерно в 40 раз большую, чем литий-ионные батареи. Кроме того, алюминий является третьим по распространенности элементом на Земле и самым распространенным металлом в коре планеты.
После активации гидролиз может происходить при комнатной температуре посредством экзотермической реакции между алюминием и водой. Обширные исследования AWR продемонстрировали, что побочные продукты реакции включают AlOOH (бемит) или Al (OH)3 (байерит/гиббсит) в зависимости от условий температуры и давления. В частности, при давлении окружающей среды AlOOH образуется между 294 и 578 К, тогда как Al (OH)3 образуется ниже 294 К.
Около половины энергии, вовлеченной в AWR, выделяется в виде химической энергии в форме газообразного водорода, в то время как оставшаяся половина проявляется в виде тепловой энергии в диапазоне от 400 до 450 кДж на моль алюминия (здесь Q1–2 представляет тепло, выделяемое каждой реакцией):
Результаты исследования
Изображение №1
Первоначальные наблюдения проводились при исследовании реакции в различных ионных растворах, включая введение неорганических хлоридов, таких как NaCl, в деионизированную (DI от deionized) воду, что позволяло реакции продолжаться. Предыдущие исследования показали, что высокомолярные растворы NaCl 3.9 М облегчают восстановление eGaIn после завершения реакции. На 1A показано появление жидких частиц eGaIn после 12-часовой реакции активированной алюминиевой гранулы в растворе NaCl 3.9 М. Эти частицы продолжали образовываться и сливаться в течение последующих часов по мере протекания реакции. Кроме того, анализы сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции (XRD от X-ray diffraction) (1B и 1C) этих частиц подтвердили, что жидкая металлическая фаза состоит из чистого сплава галлия и индия, окруженного областями с высокой концентрацией алюминия и кислорода. Анализ XRD этих соседних областей выявил пики, связанные с фазой NaCl, и менее выраженную сигнатуру для g-AlOOH. Ранее было продемонстрировано, что средний размер гранул незначительно уменьшается с концентрацией водного раствора NaCl. Однако всесторонний анализ различных ионных растворов, охватывающий влияние концентрации и молекулярной структуры на скорость восстановления и реакции, еще не проводился.
Изображение №2
Выше показана прогрессия генерации водорода с течением времени в результате AWR в различных растворах, включая введение солей или сульфатов в изохорных условиях. Развитие реакции отражает обратную экспоненциальную модель роста, в конечном итоге достигая асимптотического предела по завершении реакции.
Эти графики показывают два различных режима. Первый режим напоминает стандартный AWR в деионизированной воде, характеризующийся реакцией, которая начинается после индукционного времени приблизительно 30 секунд и обычно завершается в течение 5 минут. Второй режим, отмеченный во всех веществах, содержащих хлор, демонстрирует заметно более медленную скорость реакции, со временем завершения в диапазоне от 250 до 1250 минут.
Последовательные результаты и повторные эксперименты подтверждают, что присутствие хлора значительно замедляет реакцию. Кроме того, эксперименты с различными сульфатами дали различные результаты. Некоторые сульфаты, подобно растворам хлора, замедляют стандартную реакцию (примеры включают 0.5 M Na2SO4, 0.5 M CaSO4, 0.25 M K2SO4 и 0.5 M MgSO4), в то время как другие поддерживают высокие скорости реакции, такие как 3 M Al2(SO4)3 и 0.5 M FeSO4.
Чтобы глубже понять основные механизмы, был проведен эксперимент по коэффициенту восстановления eGaIn в различных растворах, содержащих соли или сульфаты. Целью этого опыта было определить, какие типы растворов повышают коэффициент восстановления eGaIn после завершения реакции, и потенциально сопоставить коэффициент восстановления со средними скоростями реакции. Результаты этих экспериментов представлены в таблице ниже.
Таблица №1
Экспериментальные данные из таблицы выше были нанесены на график для анализа взаимосвязи между скоростями реакции и коэффициентами восстановления. Этот анализ выявил заметную взаимозависимость. В частности, высокие коэффициенты восстановления, по-видимому, коррелируют с низкими скоростями реакции, а быстрые реакции имеют тенденцию подавлять восстановление, особенно в растворах, содержащих соли или сульфаты. Эта закономерность предполагает прямое влияние кинетики реакции на эффективность восстановления eGaIn в этих типах растворов.
AWR происходит в большинстве водных сред, однако восстановление активирующих элементов зависит от нескольких факторов, включая температуру и ионные виды, присутствующие в растворе. В деионизированной воде восстановление обычно низкое или отсутствует из-за прямой реакции эвтектики с водой. Однако в ионных растворах восстановление может быть усилено за счет образования EDL вокруг эвтектических капель. EDL образуются, когда поверхность объекта взаимодействует с жидкостью, в данном случае жидким металлом и оксидной оболочкой с ионным раствором. По мере развития AWR эвтектический материал на границах зерен вытесняется в виде частиц размером от микрометров до миллиметров. Это увеличение площади поверхности и уменьшение объема позволяют отталкивающим силам EDL стать преобладающими.
Изображение №3
Предыдущие исследования показывают, что капли eGaIn естественным образом образуют EDL с чистым положительным зарядом на самом внешнем слое, возникающим из-за накопления положительно заряженных ионов в растворе (схема и снимок выше). В щелочных ионных растворах первый слой EDL (поверхностный заряд) состоит из отрицательно заряженных ионов, адсорбированных на объекте из-за химических взаимодействий. Второй слой состоит из положительно заряженных ионов, притянутых к поверхностному заряду через кулоновскую силу, тем самым электрически экранируя первый слой.
Электростатические дзета-потенциалы играют решающую роль в стабильности коллоидных суспензий. Дзета-потенциал указывает на разность потенциалов между поверхностью заряженной частицы в суспензии и окружающим раствором. Высокие значения дзета-потенциала обеспечивают стабильность суспензий, способствуя эффективному отталкиванию частиц посредством электростатических сил. eGaIn, будучи отрицательно заряженным (отчасти из-за оксидов, присутствующих на его поверхности), притягивает положительно заряженные ионы в растворе к своей поверхности. Таким образом, восстановление частиц eGaIn зависит от их коллоидной стабильности и дзета-потенциалов.
EDL вокруг этих частиц должен подавлять реакцию вода-эвтектика, при этом позволяя поверхностному натяжению обеспечивать их коалесценцию в более крупные капли. Однако чрезмерно высокое абсолютное значение разности потенциалов может помешать частицам приблизиться друг к другу достаточно близко для коалесценции. Более того, предыдущие исследования показывают, что более высокая ионная сила в растворе (т. е. более высокие концентрации хлорида или сульфата) уменьшает характерное расстояние, за пределами которого электрический потенциал уменьшается, тем самым уменьшая коллоидную стабильность частиц eGaIn.
Тем не менее защитный барьер, созданный EDL, препятствует реакциям между различными видами в жидкой металлической фазе и окружающей воде, следовательно, уменьшая скорости генерации водорода, обычно связанные с AWR. Сравнение значений электроотрицательности для алюминия и галлия-индия (χ (Al) = 1.61 < χ(In) = 1.78 < χ(Ga) = 1.81) предполагает более сильную адсорбцию EDL на шарике eGaIn, тем самым защищая его от реакции с молекулами воды.
Постоянные результаты в восстановлении eGaIn подчеркнули ключевую проблему: значительно более медленные скорости реакции в высококонцентрированных ионных растворах по сравнению с деионизированной водой. Например, в то время как AWR завершается примерно за 5 минут в деионизированной воде, он длится от 2 до 17 часов в соленой воде (0.1–4 M NaCl). Эта значительная задержка подчеркивает необходимость эффективного ускорителя для ускорения скорости реакции в ионных средах.
Чтобы определить органический катализатор, который усиливает кинетику реакции, не ухудшая эвтектическое восстановление, необходимо учитывать несколько факторов. Во-первых, химический ускоритель должен обладать функциональными группами или областями, которые несут заряд, противоположный поверхностному слою эвтектики. Это обеспечивает эффективное взаимодействие с эвтектикой. Во-вторых, структура и геометрия ускорителя должны способствовать тому, чтобы атомы металла сближались достаточно близко для образования лигандных связей, но не настолько сильно, чтобы препятствовать способности эвтектики к коалесценции. Наконец, ускоритель должен способствовать восстановлению воды, особенно протонов, алюминием. Принимая во внимание эти ограничения, планарные ароматические соединения выделяются как перспективные кандидаты из-за их подходящих структурных и электронных свойств.
Тестирование с различными бытовыми продуктами привело к открытию неожиданно простого ускорителя для AWR в ионных растворах: кофеина. Кофеиновые комплексы уже были задокументированы как катализаторы в широком спектре полезных реакций перекрестного сочетания. Кроме того, кофеин использовался в качестве хелатирующего агента как для алюминия, так и для галлия в недавних биомедицинских исследованиях. Эти исследования предполагают, что кофеин может иметь полезные связующие взаимодействия с металлами, участвующими в процессе AWR. Свойства кофеина как безопасной, быстро усваиваемой молекулы, способной связываться с другими соединениями, еще больше повышают его привлекательность в качестве практического ускорителя в этом контексте.
Изображение №4
После того как было отмечено значительное увеличение скорости реакции с пищевым кофе, был выделен и протестирован основной компонент — кофеин (с использованием реагента чистотой >99%). Результаты (4A и 4B) соответствовали результатам для кухонного кофе и позволили увеличить скорость до тех же порядков, что и стандартная реакция в деионизированной воде.
Поскольку кофеин демонстрировал каталитические свойства, были проведены эксперименты с различными концентрациями, чтобы установить его конкретную роль в реакции. Результаты тестирования концентраций кофеина в диапазоне от 1 до 0.001 М в растворе NaCl 3 М представлены на 4A. Примечательно, что как выходы водорода, так и скорости реакции показали значительную согласованность при этих различных концентрациях, при этом время реакции оставалось около 5 минут во всех случаях. Эта продолжительность сопоставима со стандартным AWR в деионизированной воде, которая использовалась в качестве эталона в этих экспериментах. Эта согласованность при различных концентрациях кофеина указывает на его эффективность в качестве ускорителя даже при относительно низких концентрациях.
Учитывая многообещающие результаты кофеина в повышении скорости реакции, необходимо было определить конкретные молекулярные компоненты, ответственные за этот эффект. Кофеин содержит циклический компонент в своей молекулярной структуре, известный как имидазол (4D). Имидазол — это органическое соединение с формулой C3N2H4. Недавние исследования выдвинули на первый план использование имидазола и его производных в качестве ингибиторов коррозии, в частности, их способность связываться через атомы азота с металлами, такими как медь, тем самым предотвращая воздействие молекул NaCl. Электростатическая карта имидазола показывает высокую электроотрицательность и сильный дипольный момент по отношению к одному из его атомов азота.
Согласно электрохимической теории коррозии, механизм ингибирования коррозии включает образование анодных и катодных областей (гальванический элемент) на различных металлах или металлических поверхностях. Как на анионных, так и на катодных участках катионы имидазола (Im+) адсорбируются на поверхности металла посредством электростатической силы притяжения, образуя защитный слой, который ингибирует коррозию в растворах NaCl. Наличие свободной электронной пары на атомах азота в молекуле имидазола создает гидрофобную пленку на поверхности металла, которая уменьшает воздействие хлоридов, сульфатов и других потенциально едких химикатов. Это свойство имидазола предполагается как ключевой фактор в повышенных скоростях реакции, наблюдаемых с кофеином.
Опять же, тестирование влияния различных концентраций имидазола в соленой воде на AWR позволило лучше понять микроскопические механизмы, задействованные в этом процессе. Результаты, представленные на 4C, показывают, как и в случае с кофеином, значительное увеличение скорости реакции из-за добавления различных концентраций имидазола от 0.02 до 1 М. Большинство реакций происходило менее чем за 20 минут, даже для высоких концентраций соли (было протестировано 0.6–4 М NaCl).
Учитывая существенное увеличение скорости реакции при введении кофеина или имидазола в ионные растворы, также было важно оценить их влияние на скорость восстановления. Для этого эксперимент по определению степени восстановления проводился в растворах с различными концентрациями NaCl (0.01–4 М), кофеина (0.001–1 М) и имидазола (0.02–3 М). Результаты этих экспериментов представлены в таблице ниже. Это комплексное тестирование было направлено на то, чтобы сбалансировать повышенную скорость реакции с эффективной степенью восстановления, что является ключевым фактором для практического применения процесса AWR в ионных растворах.
Таблица №2
Экспериментальные результаты показали заметное снижение коэффициентов восстановления eGaIn с увеличением концентрации кофеина или имидазола. Наибольшее восстановление с кофеином, достигающее приблизительно 33%, было достигнуто при самой низкой испытанной концентрации 0.001 М. Напротив, значительно лучшие коэффициенты восстановления наблюдались с имидазолом. Когда концентрация имидазола была снижена до заметно низкого уровня 0.02 М, коэффициенты восстановления последовательно достигали около 90% в различных соленых растворах, от 0.01 до 4 М NaCl. Этот уровень восстановления сопоставим с реакциями в соленой воде без каких-либо катализаторов.
Особого внимания заслуживает результат с 0.6 М NaCl, что приблизительно соответствует концентрации соли в морской воде, что предполагает многообещающий потенциал для применения на воде и под водой. Была определена оптимальная концентрация 0.02 М имидазола в соленой воде, достигающая коэффициента восстановления более 90% и времени реакции менее 10 минут. Существенной разницы в выходе водорода не наблюдалось, при этом большая часть алюминия потреблялась в процессе и достигала значений в диапазоне 95% ± 5% для всех случаев.
Для дальнейшего изучения задействованных микроскопических механизмов были протестированы другие молекулы, включая гетероциклические органические соединения, такие как пиридин (C5NH5), пиримидин (C4N2H4), пиррол (C4NH5) и никотин (C10N2H14), а также другие соединения с неподеленной парой электронов на атоме азота, такие как триэтиламин (N (CH2CH3)3, сокращенно Et3N) и аммиак (NH3).
Изображение №5
Изучая как скорости реакции (графики выше), так и коэффициенты восстановления при различных концентрациях (таблица №3), эксперименты показали механизмы, подобные тем, которые наблюдаются с кофеином и имидазолом, расширяя понимание того, как эти соединения влияют на AWR в ионных растворах. При внимательном рассмотрении молекулярной структуры, присутствие свободных атомов азота, связанных с поверхностью металлов, по-видимому, увеличивает скорости реакции во всех случаях по сравнению с AWR в ионном растворе без добавления катализатора, а изменяющаяся геометрия соединений и сила их дипольного момента и электроотрицательности влияют на коэффициенты восстановления.
Таблица №3
Далее было проведено моделирование AWR с использованием закона Аррениуса (закон, который описывает кинетику химической реакции в зависимости от температуры) для оценки влияния температуры и энергии активации на систему:
где k — константа скорости или коэффициент скорости реакции, A — константа частотного фактора, R — универсальная газовая постоянная, T — температура, а Ea — энергия активации.
В предлагаемой модели увеличение температуры приводит к увеличению экспоненциального множителя уравнения Аррениуса, что приводит к более быстрому завершению реакции. Учитывая, что AWR в ионных растворах демонстрируют заметно более низкие скорости реакции по сравнению с деионизированной водой, увеличение температуры может быть жизнеспособной стратегией для ускорения реакции. Такое температурно-зависимое поведение AWR подтверждается различными результатами исследований. Эти исследования показывают, что регулировка температуры может быть эффективным подходом для противодействия снижению скоростей реакции, наблюдаемым в ионных растворах, тем самым оптимизируя эффективность производства водорода посредством процесса AWR. Действительно, количественно определяя эффект повышения температуры, ΔT > 0 дает:
Таким образом, теоретически скорость увеличивается приблизительно в EaΔT/RT2 раз при небольшом увеличении температуры ΔT, что количественно характеризует чувствительность скорости реакции к изменениям температуры.
Изображение №6
Эти утверждения были проверены в изобарических условиях при давлении окружающей среды (1.01325 бар). На 6A показаны экспериментальные результаты для изобарной реакции в растворах NaCl 4 М при увеличении температуры раствора от комнатной (20 °C) до 90 °C.
Экспериментальные данные согласуются с теоретической моделью, демонстрируя экспоненциальное увеличение скорости реакции с ростом температуры раствора. В частности, время реакции в растворе NaCl 4 М значительно уменьшалось с повышением температуры. При комнатной температуре (приблизительно 20 °C) реакция заняла почти 13 часов. Однако, когда раствор был предварительно нагрет до 70 °C с помощью горячей плиты, время завершения сократилось до 5 часов. Дальнейшее повышение температуры раствора до 80 °C, а затем до 90 °C привело к еще более существенному сокращению времени реакции, до 3.78 часов и 24 минут соответственно.
Самое короткое зарегистрированное время в 24 минуты при 90 °C представляет собой значительное ускорение по сравнению с условиями комнатной температуры. Для сравнения, стандартная изобарическая реакция в деионизированной воде при аналогичных условиях достигла завершения за 5 минут.
Положительные результаты от повышения температуры в растворах NaCl 4 M привели к повторению изобарических экспериментов в растворах NaCl 0.6 M для моделирования условий, аналогичных морской воде. Результаты этих экспериментов (6B) указывают на тенденции, соответствующие наблюдаемым в растворах с более высокой концентрацией. При комнатной температуре реакция в растворе NaCl 0.6 M заняла 4.78 часа. Однако повышение температуры раствора до 70 °C, а затем до 80 °C значительно сократило время завершения до 1.67 часа и 28 минут соответственно.
Таблица №4
Особенно примечательным результатом этих экспериментов стала скорость восстановления eGaIn. Как подробно описано в таблице выше, восстановление оставалось впечатляюще высоким, приблизительно 90% в 0.6 M NaCl при 80 °C и около 77% при 90 °C. Эти результаты особенно обнадеживают для применений в двигателях транспортных средств, где как эффективное производство водорода, так и высокие скорости восстановления имеют решающее значение.
Для проверки работоспособности эксперимента было важно протестировать настоящую морскую воду как с ускорителями, так и без них. Для этой цели вода была собрана на пляже Ревери в Ревере, штат Массачусетс (США), и испытания проводились с использованием тех же методов, которые были подробно описаны ранее (6C). Результаты показали, что при температуре окружающей среды как искусственный раствор 0.6 М NaCl, так и настоящая морская вода демонстрировали схожее поведение с точки зрения выхода водорода и скорости реакции. Более того, добавление химических ускорителей, таких как имидазол или кофеин, и предварительный нагрев морской воды привели к увеличению скорости реакции. Эти результаты согласуются с результатами более ранних экспериментов.
Кроме того, когда эксперимент был масштабирован путем увеличения массы активированного алюминия и соответствующего объема раствора, наблюдалось последовательное поведение с точки зрения как скоростей реакции, так и коэффициентов восстановления. Масса активированного алюминия была увеличена на два порядка, превысив 50 г, с 5 л раствора морской воды. Восстановленный материал не имел формы бусины и весил больше, чем входная масса eGaIn, что доказывает наличие дополнительных элементов (вероятно, бемита или непрореагировавшего алюминия) в твердом материале. Однако, после того, как он прореагировал в деионизированной воде в течение 24 часов, eGaIn отделился от другого материала, и повторное взвешивание показало коэффициенты восстановления в диапазоне от 90% до 100%.
Затем восстановленная эвтектика была повторно использована для активации большего количества свежего алюминия, и эксперименты показали последовательные результаты с точки зрения выходов, скоростей реакции и дальнейшего восстановления eGaIn для будущего использования, демонстрируя, что эвтектику можно перерабатывать несколько раз для активации большего количества алюминия благодаря ионным растворам.
Энергетический баланс имеет решающее значение в системах хранения водорода. Оценки показывают, что энергетические затраты, необходимые для различных подпроцессов, вовлеченных в обработку алюминия для производства топлива, составляют приблизительно 2% от общего выхода энергии в результате реакции. Этот расчет учитывает как тепловую энергию, непосредственно выделяемую в AWR, так и плотность энергии полученного водорода, тем самым подчеркивая высокую способность алюминия хранить энергию.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде группа ученых обнаружила, что реакция между алюминием и морской водой может вполне успешно производить водород, который в дальнейшем может быть использован в качестве топлива. Проблема заключалась в том, что данная реакция протекала слишком медленно, чтобы считаться эффективной.
В будущем ученые намерены создать установку, которая может быть помещена на морские судна, чтобы использовать морскую воду в качестве одного из основных реагентов данной реакции по получению водорода. Проблема данной идеи заключается в том, что водород пришлось бы транспортировать в баках. А это не самое безопасное занятие, учитывая летучесть данного вещества. Решением этой проблемы стал опять же алюминий.
Алюминий может выделять водород при контакте с водой, однако этот процесс возможен лишь в чистом и открытом состоянии алюминия. При прямом контакте алюминия с кислородом, на его поверхности образуется защитный оксидный слой, который предотвращает дальнейшие реакции. Если же обработать алюминий сплавом галия и индия, то полученный слой будет очищать алюминий от любых оксидных слоев, сохраняя его чистоту и возможность реагировать с водой. Во время опытов в пресной деионизированной водой было обнаружено, что одна предварительно обработанная гранула алюминия произвела 400 миллилитров водорода всего за 5 минут. Ученые подсчитали, что всего 1 грамм гранул произведет 1.3 литра водорода за то же время.
Галий и индий показали себя с лучшей стороны в данном исследовании, но эти материалы крайне редки и дорогостоящие. Потому ученые разработали метод их повторного восстановления и использования с помощью ионов. Источником этих ионов стала морская вода. Это нововведение немного замедляло реакцию выделения водорода, но она была успешно ускорена путем добавления имидазола, присутствующего в кофеине. Производства определенного количества водорода без имидазола занимало около 2 часов, тогда как при добавлении данного катализатора такое же количество производилось всего за 5 минут.
Ученые отмечают, что разработанная ими методика позволяет вырабатывать водород и буквально хранить его внутри алюминия, делая тем сам его хранение и перевозку куда более экономичной и безопасной.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
