作为全球努力摆脱化石燃料,许多研究人员正在调查是否清洁的氢燃料领域发挥更大的作用可以从运输和工业建筑和发电。它可以用于燃料电池汽车、生热锅炉发电燃气涡轮机,储存可再生能源系统,等等。
但在使用氢不产生碳排放,使它一般。今天,几乎所有的氢是使用化石燃料生产过程产生超过2%的全球温室气体排放。此外,氢通常是在一个地方生产和消费在另一个,这意味着它的使用也提出了后勤挑战。
一个有前途的反应
生产氢的另一个选择可能来自一个令人惊讶的来源:铝与水反应。铝金属会容易在室温下与水反应形成氢氧化铝和氢。反应一般不会发生因为一层氧化铝自然外套原始金属,防止直接接触水。
使用aluminum-water反应生成氢不会产生任何温室气体排放,并承诺解决交通问题的任何位置可用的水。简单地将铝,然后与水反应现场。“从根本上说,铝成为机制存储氢——一个非常有效的一个,”道格拉斯·p·哈特说,麻省理工学院机械工程教授。“使用铝作为我们的来源,我们可以储存的氢的密度大于10倍,如果我们只是作为压缩气体存储它。”
两个问题让铝被用作一个安全、氢生成的经济来源。第一个问题是确保铝表面清洁,可用与水反应。为此,一个实际的系统必须包括一种首先修改氧化层,然后保持它从重组反应所得。
第二个问题是,纯铝是能源密集型的开采和生产,所以任何实际的方法需要使用废铝从各种来源。但废铝不是一个容易的起始物料。它通常发生在一种合金,也就是说它包含其他元素添加到更改属性或特征的不同用途的铝。例如,添加镁增加强度和耐腐蚀,增加硅降低熔点,并添加一点点的让一个适度强劲,耐腐蚀的合金。
尽管大量研究铝氢源,保持两个关键问题:什么是最好的方法来防止铝表面的氧化层的依从性,以及合金元素如何在一片废铝影响生成氢的总量和生成的速度吗?
“如果我们要用废铝氢代在实际应用程序中,我们需要能够更好地预测氢生成特征从aluminum-water反应,我们要观察”劳润Meroueh博士说“20岁获得机械工程博士学位。
以来的基本步骤的反应不是很好理解,这是很难预测的速度和体积氢形式从废铝,它可以包含不同类型和浓度的合金元素。Meroueh,哈特和托马斯·w·企盼教授材料工程和工程管理在麻省理工学院材料科学与工程系,决定研究——以系统化的方式——这些合金元素的影响aluminum-water反应和有前途的技术,防止干扰氧化层的形成。
准备,他们有专家Novelis inc .)制造样品的纯铝和特定的铝合金制成的工业纯铝结合硅0.6%(按重量),1%的镁、或成分,都是典型的废铝从各种各样的来源。使用这些样本,麻省理工学院的研究人员进行了一系列测试,以探索aluminum-water反应的不同方面。
前处理的铝
第一步是要证明的有效手段渗透形成的氧化层铝在空气中。固体铝是由微小颗粒包装一起偶尔边界不完美的地方。最大化制氢,研究人员需要防止氧化层的形成在这些内部颗粒的表面。
研究小组已经尝试了各种方法保持铝颗粒与水反应的“激活”。一些碎样品转变为颗粒状,小,氧化层不坚持。但铝粉末是危险的,因为他们可以与湿度和爆炸反应。另一种方法要求磨碎废料添加液体样品和防止氧化沉积金属。但磨是一个昂贵的和能源密集型的过程。
哈特、Meroueh和企盼,最有前途的方法——首次引入乔纳森·斯洛克姆ScD的18时在哈特的研究小组——预处理涉及固体铝通过绘画液体金属在上面,允许他们通过晶界渗透。
确定这种方法的有效性,研究人员需要确认液体金属将达到内部晶粒表面,有或没有合金元素。他们必须建立需要多长时间的液态金属外套所有谷物在纯铝及其合金。
他们开始通过结合两种金属在特定比例-镓和铟-创建一个“共晶混合物;即混合物在室温下保持液态。他们涂层样品共晶和允许它穿透时间从48到96小时。然后样品暴露于水和监测氢气产量(形成)和流量为250分钟。48小时后,他们还带高倍率扫描电子显微镜(SEM)图像,这样他们可以观察邻铝颗粒之间的界限。
基于氢产量测量和扫描电镜图像,麻省理工学院的团队得出结论,镓-铟共晶自然渗透,达到室内颗粒表面。然而,渗透的速度和程度随合金。渗透速率是相同的在公司长期铝样品纯铝样品但慢magnesium-doped样本。
也许最有趣的结果是样品掺杂硅和镁-一个铝合金经常在循环流中被发现。债券形成硅化镁硅和镁化学,固体沉积物发生内部颗粒的表面。Meroueh推测,当硅和镁都是出现在废铝,这些存款可以作为屏障,阻碍镓-铟共晶的流动。
实验和图像证实了她的假说:固体存款作为屏障,48小时的样品预处理和图像显示,渗透并不是完整的。显然,一段冗长的预处理将氢气产量最大化的关键从包含两个废铝硅和镁。
使用的过程中,他们Meroueh引用几个好处。“你不需要任何能量申请发挥它的魔力的镓-铟共晶铝和去除氧化层,”她说。“一旦你激活的铝,你可以把它在水里,它会生成氢——不需要能量输入。”更好的是,共晶不与铝发生化学反应。“这只是身体绕在颗粒之间,“她说。“在过程的结束,我可以恢复所有的镓和铟再次投入并使用它”——一个有价值的特性和(尤其是)铟镓昂贵和供应相对较短。
合金元素对氢的影响
研究人员下一步研究合金元素的存在如何影响氢生成。他们测试了样品,处理96小时的共晶;到那时,氢产量和流率在所有样本趋于平稳。
0.6%硅的存在增加了氢产量对于一个给定的重量相比铝20%纯铝铝——尽管silicon-containing样本低于纯铝试样。相比之下,1%的镁生产氢少得多,而添加硅和镁推高收益率,而不是纯铝的水平。
硅的存在也大大加快了反应速率,产生更高的峰值流量但缩短氢产量的持续时间。镁的存在产生较低的流量,但允许氢气产量基本保持稳定。再一次,与合金元素铝生产之间的流量magnesium-doped和纯铝。
这些结果提供实用指导如何调整氢气产量匹配hydrogen-consuming设备的操作需求。如果原材料工业纯铝,添加少量精心挑选合金元素可以定制氢产量和流量。如果起始物料是废铝,谨慎选择的源可以是关键。高,短暂的氢,块silicon-containing铝从汽车垃圾场也可以很好地工作。低但不再流动,magnesium-containing碎片从拆除建筑的框架可能会更好。结果介于两者之间,含铝硅和镁都应该工作;这样的材料丰富可以从报废汽车和摩托车、游艇、自行车架、甚至智能手机的情况下。
还应该可以结合不同铝合金的优化结果,Meroueh指出。“如果我有一个激活的样本包含硅和铝的另一个示例,其中包含镁,我可以把它们放到一个容器的水,让他们作出反应,”她说。“所以我得到快速过渡的制氢硅和镁接管和稳定输出。
另一个机会调优:降低晶粒尺寸
另一个可行的方法来影响氢可能是降低铝颗粒的大小,改变应该增加可用的总表面面积反应发生。
调查的方法,研究人员要求专门定制样品从他们的供应商。使用标准的工业过程,美联储诺专家首先每个样本通过两个辊,挤压它从顶部和底部,这样内部颗粒都被夷为平地。然后每个样本加热,直到长,扁平颗粒重组和缩小目标的大小。
在一系列精心设计的实验中,麻省理工学院的研究小组发现,降低晶粒尺寸增加效率和减少反应的持续时间不同程度在不同的样本。再一次,特殊合金元素的存在对结果有重要影响。
需要:修正后的理论来解释观测
在他们的实验中,研究人员遇到一些意想不到的结果。例如,标准的纯铝腐蚀理论预言将产生比公司长期铝氢,相反的他们在实验中观察到的东西。
阐明潜在的化学反应,哈特,Meroueh,和企盼了氢“通量”,即随着时间的推移,产生的氢气量在每平方厘米的铝表面,包括室内颗粒。他们检查了三粒大小的四个成分和收集成千上万的数据点测量氢通量。
他们的研究结果表明,减少颗粒大小有很大的影响。它增加了峰值氢通量从公司长期铝100倍和10倍的其他三个成分。纯铝和silicon-containing铝,降低晶粒尺寸也增加流量峰值前的延迟和减少的速度下降。与magnesium-containing铝、减少粒度带来氢通量和峰值的增加导致氢的速度稍快下降输出。硅和镁,氢通量随时间变化类似于magnesium-containing铝晶粒尺寸时是没有经过处理的。当晶粒尺寸降低,氢的输出特征开始像silicon-containing铝中观察到的行为。结果出人意料,因为当硅和镁都是礼物,他们形成硅化镁反应,导致一种新型铝合金有自己的属性。
研究人员强调发展中更好的好处所涉及的基本化学反应的基本理解。除了指导实际系统的设计,它可以帮助他们找到一个替代昂贵的铟预处理混合物。其他的研究表明,镓自然会渗透入铝的晶界。“在这一点上,我们知道我们共晶的铟是很重要的,但我们并不真正了解它,所以我们不知道如何取代它,”哈特说。
但哈特已经Meroueh,企盼了两种切实可行的方法优化氢反应速率:通过添加某些元素的铝和操纵室内铝颗粒的大小。相结合,这些方法可以提供显著的结果。“如果你从magnesium-containing铝与silicon-containing铝的最大粒径最小的颗粒大小,你会得到一个氢反应速率由两个数量级不同,“Meroueh说。“那巨大的如果你想设计一个真正的系统,使用这种反应。”
这项研究支持通过麻省理工学院能源倡议ExxonMobil-MIT能源奖学金授予劳润Meroueh博士从2018年到2020年的20。
这篇文章中出现春天2021年的问题能源期货,麻省理工学院能源倡议的杂志。
来源:https://www.mit.edu/