Содержание
Переход на водород
Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.
С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях.
Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.
Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.
Как получить водород?
Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения.
Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.
«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».
А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер.
Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.
Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива.
Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.
Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.
Голубая мечта о зеленом водороде
Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД.
Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.
Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования.
А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.
Как перестать сжигать топливо
Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов.
По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.
Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов.
В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
Сколько стоит чистый воздух
В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.
В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.
В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный политехнический университет и Сахалинский государственный университет.
В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.
Теги
Инженерные науки
создана новая технология получения водорода из воды
20 июля 2021
14:06
Ольга Мурая
Водородный транспорт, наравне с электрическим, постепенно входит в нашу повседневную жизнь.
Global Look Press
Внешний вид устройства.
Фото Cockrell School of Engineering/The University of Texas at Austin.
Сегодня развитие водородного транспорта ограничено дороговизной производства чистого водорода. Инженеры из Техасского университета в Остине создали дешёвый способ получения водорода, который можно легко масштабировать для массового производства.
Инженеры из Техасского университета в Остине предложили доступный способ отделения молекулы кислорода от молекулы воды с помощью солнечного света.
Эта технология приближает наступление эры водородного топлива, которая в перспективе приведёт к полному отказу от углеводородов (нефти и газа) в качестве основных источников энергии.
Начнём с того, что водород (H) – самый распространённый химический элемент во Вселенной.
При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H2). Однако большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H2O).
В присутствии воздуха H2 становится в высшей степени взрывоопасен — при реакции водорода с кислородом высвобождается большое количество энергии.
Поэтому исследователи уже давно рассматривают водород как один из перспективных источников энергии, а создание и использование водородного топлива считается будущим энергетической промышленности.
У водородного топлива есть множество плюсов — оно позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, к тому же КПД водородного двигателя заметно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания.
При этом минусов у водородного транспорта на сегодняшний день насчитывается тоже немало.
Очевидно, что горючесть водорода представляет высокую опасность: как самовоспламенения сжатого газа внутри двигателя, так и возможной утечки газа в салон автомобиля, где малейшая искра может вызвать взрыв.
Кроме этого, сегодня производство водородного топлива зависит от ископаемых углеводородов, и к тому же стоит непомерно дорого.
Поэтому инженеры всего мира стремятся разработать новые экологические чистые методы производства водородного топлива, самым популярным из которых является выделение водорода из воды с помощью солнечного света.
Эта задача сопряжена с несколькими техническими трудностями.
«Вам потребуются материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, но при этом не разлагаются, когда происходит реакция расщепления воды. Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, обычно нестабильны в условиях, которые требуются для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы плохо поглощают свет», – объясняет соавтор работы профессор Эдвард Юй (Edward Yu) из Техасского университета в Остине.
Всё выглядит так, будто эти противоречивые требования заставляют учёных искать некий компромисс, однако разрешить этот «конфликт» можно и другим способом. Использование комбинации разных материалов – одного, который хорошо поглощает солнечный свет (к примеру, кремния), и другого, который обеспечивает стабильность разработки (такого как диоксид кремния) – поможет в создании эффективной технологии расщепления воды.
Именно этим способом и воспользовались авторы новой разработки.
Главный прорыв, который удалось совершить исследователям, заключается в создании электропроводящих путей сквозь толстый слой диоксида кремния. Для этого инженеры покрывают диоксид кремния тонким слоем алюминия и нагревают получившуюся структуру. Так получаются наноразмерные «шипы» алюминия по всей поверхности диоксида кремния. После этой процедуры их легко можно заменить никелем или другими материалами, ускоряющими расщепление воды.
Этот метод не требует больших финансовых вложений, более того, его легко можно масштабировать для больших объёмов производства.
Это ли не мечта любого сторонника водородной энергетики?
Освещённое солнечным светом устройство эффективно окисляет воду, образуя, с одной стороны, молекулы кислорода, а на отдельном электроде — молекулы водорода. Оно также доказало свою стабильность при длительной эксплуатации.
Внешний вид устройства.
Фото Cockrell School of Engineering/The University of Texas at Austin.
Методы, которые использовались для создания этого устройства, уже широко применяются в производстве полупроводниковой электроники. Опять же, это значит, что их легко будет внедрить в массовое производство устройств, генерирующих водород.
Команда инженеров, создавших этот прибор, уже подала заявку на патент нового устройства. Далее исследователи планируют работать над увеличением скорости реакции расщепления воды. В то же время перед ними продолжает стоять основная задача — эффективное получение водорода с помощью этого устройства.
«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне этой реакции, это было самой сложной задачей.
Но чтобы полностью расщепить молекулу воды, необходимо выполнить реакции выделения как кислорода, так и водорода. Поэтому нашим очередным шагом станет применение существующих идей для создания устройств, обеспечивающих водородную часть реакции», – добавил профессор Юй.
Но чтобы полностью расщепить молекулу воды, необходимо выполнить реакции выделения как кислорода, так и водорода. Поэтому нашим очередным шагом станет применение существующих идей для создания устройств, обеспечивающих водородную часть реакции», – добавил профессор Юй.Работа американских учёных была опубликована в июне 2021 года в издании Nature Communications.
Напомним, ранее мы писали о техническом прорыве, который поможет в создании полностью прозрачных солнечных элементов. Сообщали мы и о новом катализаторе, который сделает производство водородного топлива более доступным.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
технологии
наука
энергетика
водород
водородное топливо
альтернативная энергетика
общество
новости
Использование алюминия и воды для производства чистого водородного топлива — когда и где это необходимо | Новости Массачусетского технологического института
Поскольку мир работает над отказом от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть расширенную роль в секторах от транспорта и промышленности до зданий и производства электроэнергии.
Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, тепловых котлах, газовых турбинах, вырабатывающих электроэнергию, системах хранения возобновляемой энергии и многом другом.
Но хотя использование водорода не приводит к выбросам углерода, как это обычно бывает. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов, основанных на ископаемом топливе, которые вместе производят более 2 процентов всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте, а потребляется в другом, что означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.
Многообещающая реакция
Еще один способ получения водорода исходит, возможно, из неожиданного источника: реакции алюминия с водой. Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его прямой контакт с водой.
Использование реакции алюминия и воды для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки в любом месте с доступной водой. Просто переместите алюминий, а затем проведите реакцию с водой на месте. «По сути, алюминий становится механизмом хранения водорода — и очень эффективным», — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем «хранить» водород с плотностью в 10 раз выше, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».
Две проблемы не позволяют использовать алюминий в качестве безопасного и экономичного источника для производства водорода. Первая проблема заключается в обеспечении того, чтобы алюминиевая поверхность была чистой и доступной для реакции с водой. С этой целью практическая система должна включать средства, сначала модифицирующие оксидный слой, а затем предотвращающие его повторное формирование по мере протекания реакции.
Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия требует больших затрат энергии, поэтому любой практический подход требует использования лома алюминия из различных источников. Но алюминиевый лом – не самый простой исходный материал. Обычно он встречается в легированной форме, что означает, что он содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей. Например, добавление магния увеличивает прочность и коррозионную стойкость, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.
Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить прилипание оксидного слоя к поверхности алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество генерируемого водорода и скорость, с которой он генерируется?
«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода в практических целях, мы должны быть в состоянии лучше предсказать, какие характеристики образования водорода мы будем наблюдать в результате реакции алюминия с водой», — говорит доктор философии Лорин Меруэ.
20 лет, получившая докторскую степень в области машиностроения.
Поскольку основные этапы реакции изучены недостаточно, было трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Поэтому Харт, Меруэ и Томас В. Игар, профессор кафедры материаловедения и инженерного менеджмента на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов на реакцию алюминия с водой. и о перспективной методике предотвращения образования мешающего оксидного слоя.
Для подготовки специалисты Novelis Inc. изготовили образцы чистого алюминия и специальных алюминиевых сплавов, изготовленных из технически чистого алюминия в сочетании с 0,6% кремния (по весу), 1% магния или с обоими составами, которые типичны для алюминиевый лом из различных источников. Используя эти образцы, исследователи Массачусетского технологического института провели серию тестов для изучения различных аспектов реакции алюминия с водой.
Предварительная обработка алюминия
Первым шагом была демонстрация эффективного средства проникновения через оксидный слой, образующийся на алюминии на воздухе. Твердый алюминий состоит из крошечных зерен, которые упакованы вместе со случайными границами, где они не совпадают идеально. Чтобы максимизировать производство водорода, исследователям необходимо предотвратить образование оксидного слоя на всех внутренних поверхностях зерен.
Исследовательские группы уже опробовали различные способы «активации» алюминиевых зерен для реакции с водой. Некоторые измельчают образцы металлолома на настолько мелкие частицы, что оксидный слой не прилипает. А вот алюминиевые порошки опасны, так как могут вступить в реакцию с влагой и взорваться. Другой подход требует измельчения образцов лома и добавления жидких металлов для предотвращения осаждения оксидов. Но шлифование – это дорогостоящий и энергоемкий процесс.
По мнению Харта, Меруэ и Игара, наиболее многообещающий подход, впервые предложенный Джонатаном Слокамом, доктором философии ’18, когда он работал в исследовательской группе Харта, заключался в предварительной обработке твердого алюминия путем нанесения на него жидких металлов и предоставления им возможности проникнуть внутрь.
через границы зерен.
Чтобы определить эффективность этого подхода, исследователям необходимо было подтвердить, что жидкие металлы могут достигать внутренних поверхностей зерен как с присутствием легирующих элементов, так и без них. И им нужно было установить, сколько времени потребуется, чтобы жидкий металл покрыл все зерна чистого алюминия и его сплавов.
Они начали с объединения двух металлов — галлия и индия — в определенных пропорциях, чтобы создать «эвтектическую» смесь; то есть смесь, которая останется в жидкой форме при комнатной температуре. Они покрыли свои образцы эвтектикой и позволили ей проникнуть в течение периода времени от 48 до 96 часов. Затем они подвергали образцы воздействию воды и контролировали выход водорода (количество образовавшегося) и скорость потока в течение 250 минут. Через 48 часов они также сделали изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с большим увеличением, чтобы увидеть границы между соседними зернами алюминия.
Основываясь на измерениях выхода водорода и изображениях СЭМ, команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что эвтектика галлия-индия естественным образом проникает и достигает внутренних поверхностей зерен. Однако скорость и степень проникновения варьируются в зависимости от сплава. Скорость проникновения в образцах алюминия, легированного кремнием, была такой же, как и в образцах чистого алюминия, но ниже в образцах, легированных магнием.
Возможно, наиболее интересными были результаты для образцов, легированных как кремнием, так и магнием — алюминиевым сплавом, который часто встречается в рециркуляционных потоках. Кремний и магний химически связываются с образованием силицида магния, который образуется в виде твердых отложений на внутренней поверхности зерна. Меруэх предположил, что, когда в алюминиевом ломе присутствуют и кремний, и магний, эти отложения могут действовать как барьеры, препятствующие протеканию эвтектики галлий-индий.
Эксперименты и изображения подтвердили ее гипотезу: твердые отложения действительно действовали как барьеры, а изображения образцов, предварительно обработанных в течение 48 часов, показали, что проникновение не было полным.
Ясно, что длительный период предварительной обработки будет иметь решающее значение для максимизации выхода водорода из алюминиевых отходов, содержащих как кремний, так и магний.
Меруэ указывает на несколько преимуществ используемого ими процесса. «Вам не нужно применять какую-либо энергию, чтобы эвтектика галлия-индия воздействовала на алюминий и избавлялась от этого оксидного слоя», — говорит она. «Как только вы активируете алюминий, вы можете бросить его в воду, и он будет генерировать водород — никаких затрат энергии не требуется». Более того, эвтектика не вступает в химическую реакцию с алюминием. «Он просто физически перемещается между зернами», — говорит она. «В конце процесса я мог восстановить весь вложенный галлий и индий и использовать их снова» — ценная функция, поскольку галлий и (особенно) индий дороги и относительно дефицитны.
Влияние легирующих элементов на образование водорода
Далее исследователи исследовали, как присутствие легирующих элементов влияет на образование водорода.
Они испытали образцы, обработанные эвтектикой в течение 96 часов; к тому времени выход водорода и скорость потока выровнялись во всех образцах.
Присутствие 0,6 процента кремния увеличило выход водорода для данного веса алюминия на 20 процентов по сравнению с чистым алюминием, даже несмотря на то, что кремнийсодержащий образец содержал меньше алюминия, чем образец чистого алюминия. Напротив, присутствие 1 процента магния производило гораздо меньше водорода, а добавление как кремния, так и магния увеличивало выход, но не до уровня чистого алюминия.
Присутствие кремния также значительно ускоряет скорость реакции, вызывая гораздо более высокий пик скорости потока, но сокращая продолжительность выделения водорода. Присутствие магния приводило к более низкой скорости потока, но позволяло выходу водорода оставаться довольно стабильным с течением времени. И снова алюминий с обоими легирующими элементами давал скорость потока между легированным магнием и чистым алюминием.
Эти результаты дают практическое руководство о том, как отрегулировать выход водорода в соответствии с рабочими потребностями устройства, потребляющего водород.
Если исходным материалом является технически чистый алюминий, добавление небольшого количества тщательно подобранных легирующих элементов может регулировать выход водорода и скорость потока. Если исходным материалом является алюминиевый лом, ключевым фактором может быть тщательный выбор источника. Для мощных кратковременных всплесков водорода хорошо подойдут куски кремнийсодержащего алюминия со свалки автомобилей. Для более низких, но более длинных потоков лучше использовать содержащие магний отходы от каркаса снесенного здания. Для результатов где-то посередине хорошо подойдет алюминий, содержащий как кремний, так и магний; такой материал в изобилии доступен из списанных автомобилей и мотоциклов, яхт, велосипедных рам и даже чехлов для смартфонов.
Также должна быть возможность комбинировать обрезки различных алюминиевых сплавов для улучшения результата, отмечает Меруэ. «Если у меня есть образец активированного алюминия, который содержит только кремний, и другой образец, содержащий только магний, я могу поместить их оба в контейнер с водой и дать им прореагировать», — говорит она.
«Таким образом, я получаю быстрый рост производства водорода из кремния, а затем магний вступает во владение и имеет такой стабильный выход».
Еще одна возможность для тюнинга: Уменьшение зернистости
Другим практическим способом повлиять на производство водорода может быть уменьшение размера алюминиевых зерен — изменение, которое должно увеличить общую площадь поверхности, доступную для протекания реакций.
Чтобы изучить этот подход, исследователи запросили у своего поставщика специально изготовленные образцы. Используя стандартные промышленные процедуры, специалисты Novelis сначала пропускали каждый образец через два ролика, сжимая его сверху и снизу, чтобы внутренние зерна были сплющены. Затем они нагревали каждый образец до тех пор, пока длинные плоские зерна не реорганизовались и не сжались до заданного размера.
В ходе серии тщательно спланированных экспериментов команда Массачусетского технологического института обнаружила, что уменьшение размера зерна увеличивает эффективность и сокращает продолжительность реакции в различной степени в различных образцах.
Опять же, большое влияние на результат оказало присутствие определенных легирующих элементов.
Требуется: пересмотренная теория, объясняющая наблюдения
В ходе своих экспериментов исследователи столкнулись с некоторыми неожиданными результатами. Например, стандартная теория коррозии предсказывает, что чистый алюминий будет генерировать больше водорода, чем алюминий, легированный кремнием, — противоположное тому, что они наблюдали в своих экспериментах.
Чтобы пролить свет на лежащие в основе химические реакции, Харт, Меруэ и Игар исследовали «поток» водорода, то есть объем водорода, образующийся с течением времени на каждом квадратном сантиметре поверхности алюминия, включая внутренние зерна. Они изучили три размера зерна для каждого из четырех составов и собрали тысячи точек данных, измеряющих поток водорода.
Их результаты показывают, что уменьшение размера зерна оказывает значительное влияние. Он увеличивает пиковый поток водорода из алюминия, легированного кремнием, в 100 раз, а из трех других составов — в 10 раз.
Как для чистого алюминия, так и для алюминия, содержащего кремний, уменьшение размера зерна также уменьшает задержку перед пиковым потоком и увеличивает скорость последующего снижения. В магнийсодержащем алюминии уменьшение размера зерна приводит к увеличению пикового потока водорода и приводит к несколько более быстрому снижению скорости выхода водорода. При наличии как кремния, так и магния поток водорода с течением времени напоминает поток алюминия, содержащего магний, когда размер зерна не изменяется. Когда размер зерна уменьшается, характеристики выхода водорода начинают напоминать поведение, наблюдаемое в кремнийсодержащем алюминии. Этот результат был неожиданным, потому что, когда одновременно присутствуют кремний и магний, они реагируют с образованием силицида магния, в результате чего получается новый тип алюминиевого сплава со своими свойствами.
Исследователи подчеркивают преимущества лучшего фундаментального понимания лежащих в основе химических реакций. В дополнение к руководству по проектированию практических систем, это могло бы помочь им найти замену дорогому индию в их смеси для предварительной обработки.
Другая работа показала, что галлий естественным образом проникает через границы зерен алюминия. «На данный момент мы знаем, что индий в нашей эвтектике важен, но мы не очень понимаем, что он делает, поэтому мы не знаем, как его заменить», — говорит Харт.
Но Харт, Меруэ и Игар уже продемонстрировали два практических способа регулирования скорости водородной реакции: добавлением определенных элементов к алюминию и изменением размера внутренних алюминиевых зерен. В сочетании эти подходы могут дать значительные результаты. «Если перейти от магнийсодержащего алюминия с наибольшим размером зерна к кремнийсодержащему алюминию с наименьшим размером зерна, вы получите скорость водородной реакции, которая отличается на два порядка», — говорит Меруэ. «Это очень важно, если вы пытаетесь спроектировать реальную систему, которая будет использовать эту реакцию».
Это исследование было поддержано в рамках Инициативы MIT Energy от ExxonMobil-MIT Energy Fellowships, присужденной Лорин Меруэ PhD ’20 с 2018 по 2020 год.
, журнал MIT Energy Initiative.
Ученые нашли простой способ получения водорода из воды при комнатной температуре: ScienceAlert
Пузырьки газообразного водорода образуются в результате реакции воды с алюминиево-галлиевым композитом. (Амберчан и др., Прикладные наноматериалы, 2022 г.)
Водородное топливо обещает стать чистым и обильным источником энергии в будущем — до тех пор, пока ученые смогут найти способы его практического и дешевого производства без использования ископаемого топлива.
Новое исследование дает нам еще один многообещающий шаг в этом направлении, при условии, что вы сможете использовать существующие запасы алюминия и галлия, бывших в употреблении.
В новом исследовании ученые описывают относительно простой метод с использованием наночастиц алюминия, которые способны отделять кислород от молекул воды и оставлять газообразный водород.
Процесс дает большое количество водорода, и все это работает при комнатной температуре.
Это устраняет одно из серьезных препятствий для производства водородного топлива: большое количество энергии, необходимой для его производства с использованием существующих методов.
Этот метод работает с любой водой, включая сточные воды и морскую воду.
«Нам не нужно никакого подвода энергии, и водород пузырится как сумасшедший», — говорит материаловед Скотт Оливер из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC).
«Я никогда не видел ничего подобного.»
Ключом к процессу является использование металлического галлия для обеспечения непрерывной реакции с водой. Эта реакция алюминия-галлия-воды известна уже несколько десятилетий, но здесь команда оптимизировала и усовершенствовала ее несколькими конкретными способами.
С помощью методов сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции исследователи смогли найти наилучшую смесь алюминия и галлия для получения водорода с наибольшей эффективностью: композит галлия-алюминия 3:1.
Сплав, богатый галлием, выполняет двойную функцию: удаляет покрытие из оксида алюминия (которое обычно блокирует реакцию с водой) и производит наночастицы алюминия, ускоряющие реакции.
«Галлий разделяет наночастицы и препятствует их агрегации в более крупные частицы», — говорит Бактан Сингарам, профессор органической химии Калифорнийского университета в Южной Калифорнии.
«Люди изо всех сил пытались создать наночастицы алюминия, и вот мы производим их при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре».
Исследователи сообщают, что метод смешивания не сложен, а композитный материал может храниться не менее трех месяцев при погружении в циклогексан для защиты от влаги, которая в противном случае ухудшила бы его эффективность.
Алюминий легче достать, чем галлий, поскольку он может быть получен из материалов, бывших в употреблении, таких как выброшенные алюминиевые банки и фольга.
Галлий более дорогой и менее распространенный, но в этом процессе, по крайней мере, его можно восстановить и повторно использовать много раз без потери его эффективности.