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由麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)的一位機械工程教授開發(fā)的新工藝出爐。隨著低烴燃料的生產(chǎn)對全球脫碳努力變得越來越重要，一種利用鋁和水生產(chǎn)氫的新方法已經(jīng)被開發(fā)出來。
一個有希望的反應(yīng)
氫能源的主要挑戰(zhàn)之一是清潔生產(chǎn)，但它也必須是經(jīng)濟的。一種用鋁和水生產(chǎn)的新型氫燃料是能源的希望。鋁在室溫下與水發(fā)生反應(yīng)，不構(gòu)成重大技術(shù)挑戰(zhàn)。得到結(jié)果是氫和氫氧化鋁。水和鋁在我們的日常生活中都被廣泛使用，但這種反應(yīng)并不總是發(fā)生，因為原來的金屬鋁自然地覆蓋了一層氧化鋁。這種氧化層防止金屬本身直接接觸到水。
通過使用鋁和水來產(chǎn)生氫氣，整個過程不會排放任何溫室氣體。此外，像這樣的技術(shù)可以幫助克服任何有水的地方的交通挑戰(zhàn)。任何已經(jīng)有水的地方只需要引入鋁，就可以在現(xiàn)場產(chǎn)生反應(yīng)生成氫氣。
采用鋁與水相結(jié)合的氫燃料制氫方法，可以使氫更實用。麻省理工學(xué)院(MIT)機械工程教授道格拉斯·p·哈特(Douglas P. Hart)說:“基本上，鋁可以作為一種儲存氫的機制，而且是一種非常有效的機制?！变X為原料，以偽裝的形式‘存儲’氫，其密度是我們作為壓縮氣體存儲的10倍?！?/span>
到目前為止，有兩個問題阻礙了將鋁用于這一目的：
首先，確保金屬鋁的表面是干凈的，這樣它就可以與水反應(yīng)。為此，必須采用一種實用的方法對鋁的氧化層進行改性。然后，當(dāng)反應(yīng)發(fā)生時，一定有辦法阻止它重新生成。
鋁的第二個問題是，開采和生產(chǎn)鋁的過程是能源密集型的。任何使用這種金屬的可行方法都需要集中使用來自各種來源的廢鋁。廢金屬很難作為原材料使用，它們通常是一種合金，含有其他元素，以適應(yīng)其最初的用途。
Laureen Meroueh博士
去年獲得機械工程博士學(xué)位的Laureen Meroueh博士說:“如果我們要在實際應(yīng)用中使用廢鋁來生產(chǎn)氫，我們需要能夠更好地預(yù)測鋁—水反應(yīng)的產(chǎn)氫特性?！?/span>
鋁材預(yù)處理
第一步是證明一種有效的方法來穿透鋁表面形成的氧化層。固體鋁由微小的顆粒組成，這些顆粒不能與邊界完全對齊。
該團隊嘗試了各種方法來保持鋁顆粒與水反應(yīng)的“活性”。有些人把廢料樣品磨成微粒，小到氧化物層不能附著在上面。但鋁粉是危險的，因為它們會與水分發(fā)生反應(yīng)并爆炸。另一種方法是將廢樣品磨碎并加入液態(tài)金屬以防止氧化沉積。但研磨是一項昂貴且能源密集的過程。
對于Hart、Meroueh和Eagar來說，最有前途的方法(最初由Jonathan Slocum在Hart的研究小組工作時提出)是通過在鋁表面涂上液態(tài)金屬并使其滲透到晶界來對固體鋁進行預(yù)處理。
需要確認(rèn)，無論合金元素是否存在，液態(tài)金屬都能到達(dá)內(nèi)部晶粒的表面。他們必須確定液態(tài)金屬需要多長時間才能覆蓋住純鋁及其合金的所有顆粒。
他們首先將兩種金屬——鎵和銦——按特定比例混合，形成一種“共晶”混合物。也就是說，這種混合物在室溫下仍然是液體。他們在樣品上涂上共晶，讓它滲透48到96小時。然后，他們將樣本暴露在水中，并監(jiān)測了250分鐘的氫氣生產(chǎn)和流速。48小時后，他們還用高倍掃描電子顯微鏡(SEM)觀察相鄰鋁晶粒之間的邊界。
基于氫產(chǎn)率測量和SEM圖像，麻省理工學(xué)院的研究小組得出結(jié)論，鎵銦共晶確實自然地穿透并到達(dá)內(nèi)部晶粒的表面。然而，不同合金的滲透速度和程度各不相同。硅摻雜鋁的滲透速率與純鋁的滲透速率相同，而鎂摻雜鋁的滲透速率較慢。
也許最有趣的是摻雜了硅和鎂樣品的結(jié)果，鎂是一種經(jīng)常在回收材料中發(fā)現(xiàn)的鋁合金。硅和鎂通過化學(xué)方式結(jié)合形成鎂硅化物，鎂硅化物以固體沉淀物的形式沉積在內(nèi)部晶粒的表面。Meroueh假設(shè)，當(dāng)廢鋁中同時存在硅和鎂時，這些沉積物可以作為鎵銦共晶流動的屏障。
實驗和圖像證實了她的假設(shè):固體沉積物確實起到了屏障的作用，經(jīng)過48小時預(yù)處理的樣品圖像顯示出了不完全的滲透。顯然，延長預(yù)處理時間對于從含硅和鎂的鋁廢料中最大限度地生產(chǎn)氫氣至關(guān)重要。
Meroueh列舉了他們使用的方法的幾個好處?！澳悴恍枰獙︽?銦共晶材料施加任何能量，就可以在鋁上發(fā)揮神奇的作用，并去除氧化層，”她說?！耙坏┠慵せ钿X，你可以把它放在水里，它就會產(chǎn)生氫——不需要能量輸入?！备玫氖?，共晶不會與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?！八皇窃诹Ｗ又g移動，”她說。“在這個過程的最后，我可以回收所有放入的鎵和銦，并再次使用它們”——這是一個有價值的功能，因為鎵和銦價格昂貴，而且供應(yīng)相對短缺。
合金元素對產(chǎn)氫的影響
然后，研究人員觀察了合金元素的存在如何影響氫的產(chǎn)生。他們測試了共晶處理96小時后的樣品。到那時，所有樣品的氫氣產(chǎn)量和流速已經(jīng)趨于穩(wěn)定。
與純鋁相比，在給定重量的鋁中，0.6%的硅的存在使其產(chǎn)氫率提高了20%——即使含硅樣品的鋁含量比純鋁樣品少。相比之下，1%的鎂產(chǎn)生的氫要少得多，同時添加硅和鎂提高了產(chǎn)率，但沒有達(dá)到純鋁的水平。
硅的存在也大大加快了反應(yīng)速度，產(chǎn)生了更高的流量峰值，但縮短了氫輸出的持續(xù)時間。鎂的存在產(chǎn)生較低的流量，但允許氫氣輸出隨時間保持穩(wěn)定。同樣，兩種合金元素的鋁以摻雜鎂和純鋁之間的流動速度產(chǎn)生氫。
對于高強度、短時間的氫爆發(fā)，汽車廢料場的含硅鋁板就很好。對于較低但較長的流量，拆卸建筑物框架中的含鎂廢物可能更好。介于兩者之間，鋁、硅和鎂應(yīng)該效果良好。在廢棄的汽車、摩托車、游艇、自行車架，甚至智能手機外殼中，都能找到大量這種材料。
Meroueh指出，通過組合不同的鋁廢料，也可以調(diào)整結(jié)果。“如果我有一個只含硅的活性鋁樣品和另一個只含鎂的活性鋁樣品，我可以把它們都放在一個盛水的容器中，讓它們發(fā)生反應(yīng)，”她說?！八晕覐墓柚蝎@得了氫氣產(chǎn)量的快速增長，然后鎂取代了它，產(chǎn)量穩(wěn)定?！?/span>
這種材料可以從報廢的汽車和摩托車、游艇、自行車車架，甚至智能手機殼中大量獲得
另一個調(diào)整機會：減小晶粒尺寸
另一種影響氫氣生產(chǎn)的實際方法可能是減小鋁顆粒的尺寸——這一調(diào)整將增加可用于反應(yīng)的總表面積。
研究人員要求他們的供應(yīng)商提供特別定制的樣品。采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)程序，Novelis的專家首先將每個樣品送入兩個滾輪，從頂部和底部擠壓，使內(nèi)部顆粒變平。然后他們對每個樣本進行加熱，直到長而扁平的粒子重新組合并縮小到目標(biāo)尺寸。
在不同的樣品中，減小晶粒尺寸在不同程度上提高了效率，縮短了反應(yīng)持續(xù)時間。同樣，特定合金元素的存在對結(jié)果有重大影響。
意想不到的結(jié)果
在整個實驗過程中，有了一些意想不到的結(jié)果。例如，標(biāo)準(zhǔn)腐蝕理論預(yù)測純鋁將比摻硅鋁產(chǎn)生更多的氫，這與他們在實驗中觀察到的情況相反。
結(jié)果表明，減小晶粒度是有效的。使摻硅鋁的氫通量峰值提高了100倍，其他三種組分的氫通量峰值提高了10倍。對于含鋁純鋁和含硅純鋁，晶粒尺寸的減小也降低了峰前延遲，增加了隨后的下降速率。對于Mg-Al來說，晶粒尺寸的減小導(dǎo)致氫通量峰值增大，氫輸出速率的減小略快。在si和Mg同時存在的情況下，氫通量隨時間的變化與不控制晶粒尺寸的Mg -al相似。隨著晶粒尺寸的減小，氫輸出特性開始類似于在含硅鋁中觀察到的特性。
Meroueh說:“如果你從含有鎂的最大晶粒尺寸的鋁到含有硅的最小晶粒尺寸的鋁，你會得到兩個數(shù)量級的氫反應(yīng)速率?！叭绻阍噲D設(shè)計一個使用這種反應(yīng)的真實系統(tǒng)，那將是一個巨大的進步?！?/span>
