Brug af aluminium og vand til at lave rent brintbrændstof

Mens verden arbejder på at bevæge sig væk fra fossile brændstoffer, mange forskere undersøger, om rent brintbrændstof kan spille en udvidet rolle i sektorer fra transport og industri til bygninger og elproduktion. Det kan bruges i brændselscellebiler, varmeproducerende kedler, elproducerende gasturbiner, systemer til lagring af vedvarende energi, og mere.

Men mens brug af brint ikke genererer kulstofemissioner, gør det typisk gør. I dag, næsten alt brint produceres ved hjælp af fossile brændstofbaserede processer, der tilsammen genererer mere end 2 procent af alle globale drivhusgasemissioner. Ud over, brint produceres ofte et sted og forbruges et andet sted, hvilket betyder, at brugen også giver logistiske udfordringer.

En lovende reaktion

En anden mulighed for at producere brint kommer fra en måske overraskende kilde:at reagere aluminium med vand. Aluminiummetal reagerer let med vand ved stuetemperatur for at danne aluminiumhydroxid og hydrogen. Denne reaktion finder typisk ikke sted, fordi et lag aluminiumoxid naturligt dækker det rå metal, forhindrer det i at komme direkte i kontakt med vand.

Brug af aluminium-vand-reaktionen til at generere brint producerer ingen drivhusgasemissioner, og det lover at løse transportproblemet for ethvert sted med tilgængeligt vand. Du skal blot flytte aluminiumet og derefter reagere med vand på stedet. "Grundlæggende aluminiumet bliver en mekanisme til lagring af brint - og en meget effektiv, "siger Douglas P. Hart, professor i maskinteknik ved MIT. "Ved at bruge aluminium som vores kilde, vi kan 'lagre' brint med en densitet, der er 10 gange større, end hvis vi bare opbevarer det som en komprimeret gas. "

To problemer har forhindret aluminium i at blive brugt som et sikkert, økonomisk kilde til brintproduktion. Det første problem er at sikre, at aluminiumsoverfladen er ren og tilgængelig til at reagere med vand. Til det formål, et praktisk system skal omfatte et middel til først at modificere oxidlaget og derefter forhindre det i at dannes igen, når reaktionen forløber.

Det andet problem er, at rent aluminium er energikrævende at udvinde og producere, så enhver praktisk tilgang skal bruge skrotaluminium fra forskellige kilder. Men skrotaluminium er ikke et let udgangsmateriale. Det forekommer typisk i en legeret form, hvilket betyder, at den indeholder andre elementer, der tilføjes for at ændre aluminiumets egenskaber eller egenskaber til forskellige anvendelser. For eksempel, tilføjelse af magnesium øger styrken og korrosionsbestandigheden, tilsætning af silicium sænker smeltepunktet, og tilføjelse af lidt af begge dele gør en legering, der er moderat stærk og korrosionsbestandig.

På trods af betydelig forskning om aluminium som kilde til brint, to centrale spørgsmål er tilbage:Hvad er den bedste måde at forhindre vedhæftning af et oxidlag på aluminiumsoverfladen, og hvordan påvirker legeringselementer i et stykke skrotaluminium den samlede mængde hydrogen, der genereres, og den hastighed, hvormed det genereres?

"Hvis vi skal bruge aluminiumskrot til brintproduktion i en praktisk anvendelse, vi skal være i stand til bedre at forudsige, hvilke brintgenerationsegenskaber vi vil observere fra aluminium-vandreaktionen, "siger Laureen Meroueh Ph.D. '20, der fik sin doktorgrad i maskinteknik.

Da de grundlæggende trin i reaktionen ikke er godt forstået, det har været svært at forudsige den hastighed og volumen, hvormed hydrogen dannes fra aluminiumskrot, som kan indeholde varierende typer og koncentrationer af legeringselementer. Så Hart, Meroueh, og Thomas W. Eagar, professor i materialeteknik og ingeniørledelse i MIT -afdelingen for materialevidenskab og teknik, besluttede at undersøge-på en systematisk måde-virkningen af ​​disse legeringselementer på aluminium-vandreaktionen og på en lovende teknik til at forhindre dannelsen af ​​det interfererende oxidlag.

At forberede, de havde eksperter fra Novelis Inc. til at fremstille prøver af rent aluminium og af specifikke aluminiumlegeringer fremstillet af kommercielt rent aluminium kombineret med enten 0,6 procent silicium (i vægt), 1 procent magnesium, eller begge dele - sammensætninger, der er typiske for skrotaluminium fra en række forskellige kilder. Ved hjælp af disse prøver, MIT-forskerne udførte en række tests for at undersøge forskellige aspekter af aluminium-vandreaktionen.

Forbehandling af aluminium

Det første trin var at demonstrere et effektivt middel til at trænge ind i oxidlaget, der dannes på aluminium i luften. Massivt aluminium består af små korn, der er pakket sammen med lejlighedsvise grænser, hvor de ikke passer perfekt sammen. For at maksimere brintproduktionen, forskere skulle forhindre dannelsen af ​​oxidlaget på alle de indre kornoverflader.

Forskningsgrupper har allerede forsøgt forskellige måder at holde aluminiumskornene "aktiverede" til reaktion med vand. Nogle har knust skrotprøver i partikler så små, at oxidlaget ikke klæber til. Men aluminiumspulver er farlige, da de kan reagere med fugtighed og eksplodere. En anden tilgang kræver slibning af skrotprøver og tilsætning af flydende metaller for at forhindre oxidaflejring. Men formaling er en dyr og energikrævende proces.

Til Hart, Meroueh, og Eagar, den mest lovende tilgang-først introduceret af Jonathan Slocum ScD '18, mens han arbejdede i Harts forskningsgruppe-involverede forbehandling af det faste aluminium ved at male flydende metaller ovenpå og lade dem trænge igennem korngrænserne.

For at bestemme effektiviteten af ​​denne tilgang, forskerne havde brug for at bekræfte, at de flydende metaller ville nå de indre kornoverflader, med og uden legeringselementer til stede. Og de var nødt til at fastslå, hvor lang tid det ville tage for det flydende metal at belægge alle kornene i rent aluminium og dets legeringer.

De startede med at kombinere to metaller - gallium og indium - i specifikke proportioner for at skabe en "eutektisk" blanding; det er, en blanding, der ville forblive i flydende form ved stuetemperatur. De dækkede deres prøver med eutektikum og lod det trænge igennem i tidsperioder fra 48 til 96 timer. De udsatte derefter prøverne for vand og overvågede brintudbyttet (den dannede mængde) og strømningshastighed i 250 minutter. Efter 48 timer, de tog også billeder med høj forstørrelse scannende elektronmikroskop (SEM), så de kunne observere grænserne mellem tilstødende aluminiumkorn.

Baseret på målinger af brintudbytte og SEM -billeder, MIT-teamet konkluderede, at gallium-indium-eutektikken naturligvis gennemsyrer og når de indre kornoverflader. Imidlertid, penetrationshastigheden og omfanget varierer med legeringen. Gennemtrængningshastigheden var den samme i siliciumdopede aluminiumprøver som i rene aluminiumprøver, men langsommere i magnesiumdopede prøver.

Måske mest interessant var resultaterne fra prøver dopet med både silicium og magnesium - en aluminiumlegering, der ofte findes i genbrugsstrømme. Silicium og magnesium binder kemisk til dannelse af magnesiumsilicid, der opstår som faste aflejringer på de indre kornoverflader. Meroueh antog, at når både silicium og magnesium er til stede i skrotaluminium, disse aflejringer kan fungere som barrierer, der hindrer strømmen af ​​gallium-indium eutektikum.

Eksperimenterne og billederne bekræftede hendes hypotese:De faste aflejringer virkede som barrierer, og billeder af prøver forbehandlet i 48 timer viste, at permeation ikke var fuldstændig. Klart, en lang forbehandlingsperiode ville være kritisk for at maksimere brintudbyttet fra rester af aluminium indeholdende både silicium og magnesium.

Meroueh henviser til flere fordele ved den proces, de brugte. "Du behøver ikke at bruge energi for at gallium-indium-eutektikken kan virke magisk på aluminium og slippe af med det oxidlag, "siger hun." Når du har aktiveret dit aluminium, du kan tabe det i vand, og det genererer brint - der kræves ingen energi. "Endnu bedre, eutektikken reagerer ikke kemisk med aluminiumet. "Det bevæger sig bare fysisk mellem kornene, "siger hun." I slutningen af ​​processen, Jeg kunne genvinde alt det gallium og indium, jeg satte i, og bruge det igen " - en værdifuld funktion, da gallium og (især) indium er dyre og er relativt korte.

Legeringselementers indvirkning på brintproduktion

Forskerne undersøgte derefter, hvordan tilstedeværelsen af ​​legeringselementer påvirker brintproduktion. De testede prøver, der var blevet behandlet med eutektikum i 96 timer; på det tidspunkt, brintudbyttet og strømningshastighederne var udlignet i alle prøverne.

Tilstedeværelsen af ​​0,6 procent silicium øgede brintudbyttet for en given vægt af aluminium med 20 procent i forhold til rent aluminium-selvom den siliciumholdige prøve havde mindre aluminium end den rene aluminiumprøve. I modsætning, tilstedeværelsen af ​​1 procent magnesium producerede langt mindre brint, mens tilsætning af både silicium og magnesium skubbede udbyttet op, men ikke til niveauet af rent aluminium.

Tilstedeværelsen af ​​silicium accelererede også reaktionshastigheden kraftigt, producerer en langt højere top i strømningshastigheden, men afkorter varigheden af ​​brintproduktionen. Tilstedeværelsen af ​​magnesium frembragte en lavere strømningshastighed, men tillod hydrogenproduktionen at forblive nogenlunde stabil over tid. Og endnu en gang, aluminium med begge legeringselementer producerede en strømningshastighed mellem magnesiumdopet og rent aluminium.

Disse resultater giver praktisk vejledning i, hvordan man justerer brintproduktionen, så den matcher driftsbehovet for en brintforbrugende enhed. Hvis udgangsmaterialet er kommercielt rent aluminium, tilføjelse af små mængder omhyggeligt udvalgte legeringselementer kan skræddersy brintudbyttet og strømningshastigheden. Hvis udgangsmaterialet er aluminiumskrot, omhyggeligt valg af kilde kan være nøglen. For højt, korte brister af brint, stykker siliciumholdig aluminium fra en auto-junkyard kunne fungere godt. For lavere, men længere strømninger, magnesiumholdige rester fra rammen af ​​en nedrevet bygning kan være bedre. For resultater et sted imellem, aluminium indeholdende både silicium og magnesium bør fungere godt; sådant materiale er rigeligt tilgængeligt fra skrotede biler og motorcykler, lystbåde, cykelstel, og endda smartphone -etuier.

Det bør også være muligt at kombinere rester af forskellige aluminiumlegeringer for at justere resultatet, bemærker Meroueh. "Hvis jeg har en prøve af aktiveret aluminium, der kun indeholder silicium og en anden prøve, der kun indeholder magnesium, Jeg kan putte dem begge i en beholder med vand og lade dem reagere, "siger hun." Så jeg får den hurtige stigning i brintproduktionen fra silicium, og så overtager magnesiumet og har det stabile output. "

En anden mulighed for tuning:Reduktion af kornstørrelse

En anden praktisk måde at påvirke brintproduktionen på kan være at reducere størrelsen af ​​aluminiumskornene - en ændring, der bør øge det samlede overfladeareal, der er tilgængeligt for reaktioner.

For at undersøge den tilgang, forskerne anmodede om specielt tilpassede prøver fra deres leverandør. Ved hjælp af standard industrielle procedurer, Novelis -eksperterne fodrede først hver prøve gennem to ruller, klemme det fra toppen og bunden, så de indre korn blev fladtrykt. De opvarmede derefter hver prøve indtil den lange, flade korn var reorganiseret og krympet til en målrettet størrelse.

I en række omhyggeligt designet eksperimenter, MIT -teamet fandt ud af, at reducering af kornstørrelsen øgede effektiviteten og reducerede reaktionens varighed i varierende grad i de forskellige prøver. Igen, tilstedeværelsen af ​​bestemte legeringselementer havde en stor effekt på resultatet.

Nødvendigt:En revideret teori, der forklarer observationer

Gennem deres eksperimenter, forskerne stødte på nogle uventede resultater. For eksempel, standard korrosionsteori forudsiger, at rent aluminium vil generere mere brint end siliciumdopet aluminium vil-det modsatte af, hvad de observerede i deres forsøg.

For at belyse de underliggende kemiske reaktioner, Hart, Meroueh, og Eagar undersøgte brint "flux, " det er, mængden af ​​hydrogen, der genereres over tid på hver kvadratcentimeter aluminiumoverflade, herunder de indvendige korn. De undersøgte tre kornstørrelser for hver af deres fire sammensætninger og indsamlede tusindvis af datapunkter, der måler brintstrøm.

Deres resultater viser, at reduktion af kornstørrelse har betydelige virkninger. Det øger den maksimale brintstrøm fra siliciumdoteret aluminium så meget som 100 gange og fra de tre andre sammensætninger med 10 gange. Med både rent aluminium og siliciumholdigt aluminium, reduktion af kornstørrelse reducerer også forsinkelsen før spidsfluxen og øger nedgangshastigheden bagefter. Med magnesiumholdigt aluminium, reducering af kornstørrelsen medfører en stigning i den maksimale brintflux og resulterer i et lidt hurtigere fald i hastigheden af ​​brintudgang. Med både silicium og magnesium til stede, brintstrømmen ligner over tid den for magnesiumholdigt aluminium, når kornstørrelsen ikke manipuleres. Når kornstørrelsen reduceres, hydrogenproduktionens egenskaber begynder at ligne adfærd observeret i siliciumholdigt aluminium. Dette resultat var uventet, for når silicium og magnesium begge er til stede, de reagerer for at danne magnesiumsilicid, resulterer i en ny type aluminiumslegering med sine egne egenskaber.

Forskerne understreger fordelene ved at udvikle en bedre grundlæggende forståelse af de involverede underliggende kemiske reaktioner. Udover at guide design af praktiske systemer, det kan hjælpe dem med at finde en erstatning for det dyre indium i deres blanding inden behandling. Andet arbejde har vist, at gallium naturligt vil trænge igennem korngrænserne for aluminium. "På dette tidspunkt, vi ved, at indium i vores eutektik er vigtigt, men vi forstår ikke rigtigt, hvad det gør, så vi ved ikke, hvordan vi skal udskifte det, "siger Hart.

Men allerede Hart, Meroueh, og Eagar har demonstreret to praktiske måder at indstille brintreaktionshastigheden på:ved at tilføje visse elementer til aluminiumet og ved at manipulere størrelsen af ​​de indvendige aluminiumkorn. I kombination, disse fremgangsmåder kan levere betydelige resultater. "Hvis du går fra magnesiumholdigt aluminium med den største kornstørrelse til siliciumholdigt aluminium med den mindste kornstørrelse, du får en brintreaktionshastighed, der adskiller sig med to størrelsesordener, "siger Meroueh." Det er enormt, hvis du forsøger at designe et rigtigt system, der ville bruge denne reaktion. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.