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科学家开发铝纳米颗粒 用于从水中快速高效地产生氢气
2022-09-30 19:46:25 来源: cnBeta

“我们不需要任何能量输入,而且它可以疯狂地产生氢气。我从未见过这样的东西。”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校教授Scott Oliver在描述一种新的铝镓纳米粒子粉末时说,这种粉末被放置在水里--甚至是海水里时,就会产生氢气。

铝本身在水中迅速氧化,从水中剥离氧,并释放出氢作为副产品。但这是一个短暂的反应,因为在大多数情况下,金属很快就会形成一层极薄的氧化铝涂层,将其封闭起来,结束了这种反应。

但是加州大学圣克鲁斯分校的化学研究人员说,他们已经找到了一种具有成本效益的方法来保持这种反应。人们早就知道镓可以去除氧化铝涂层,使铝与水接触以继续反应,但以前的研究发现,铝重的组合效果有限。

因此,当化学/生物化学教授Bakthan Singaram发现学生Isai Lopez在家里的厨房里玩铝/镓制氢时,这个想法似乎并没有什么特别之处。“他没有以科学的方式来做,所以我给他安排了一个研究生来做一个系统的研究,”Singaram说。“我认为对他来说,测量不同比例的镓和铝的氢气输出将是一篇很好的毕业论文。”

当Lopez决定扩展实验以测试重镓的混合物时,事情变得有点奇怪。氢气的产量开始迅速增加,该团队开始试图弄清楚为什么这些混合物的行为有如此大的差异。经过电子显微镜和X射线衍射研究,他们意识到,最有效的混合物,即三份镓和一份铝,确实出现了一些较低比例没有出现的事情。镓不仅溶解了氧化铝,它还使铝分离成纳米颗粒,并使它们保持分离。

Singaram说:“镓分离了纳米颗粒,使它们不会聚集成更大的颗粒。人们一直在努力制造铝的纳米颗粒,而在这里,我们正在正常的大气压力和室温条件下生产它们。”

由于铝被如此精细地分离,其表面积被最大化,与水的反应效率惊人,对于给定数量的铝来说,可以拉出90%的理论最大氢气量。在《ACS纳米材料》杂志上发表的一项研究中,研究人员报告说,当把一克他们的镓铝合金放入水中时,将迅速释放出130毫升的氢。

值得注意的是,水源也不需要是干净的。研究报告说:“任何可用的水源都可以使用,包括废水、商业饮料,甚至海水,而且不会产生氯气。”

然而镓很昂贵。但研究人员说,它可以在该过程结束时被完全回收,并与新的铝一起使用,以创造更多这种卓越的产氢合金。事实上,这种合金的制造本身就非常容易;人们只需将镓与铝(包括用过的铝箔或铝罐)按正确的比例手动混合在一起。

“我们的方法使用了少量的铝,这确保了它作为离散的纳米颗粒全部溶解到大多数镓中,”Oliver说。“这产生了大量的氢气,与基于铝的数量的理论值相比,几乎是完全的。它还使镓的回收更容易被再利用。”

该团队已经为该工艺申请了专利,并开始研究如何将其扩大到商业用途。

那么我们在这里看到的是什么?这实际上是一种储存和释放氢气的固态方式--值得注意的是,这是在过去几个月,甚至是有史以来写的第三种储氢粉末。氢气是一种重要的燃料,在去碳化的竞赛中,在某些应用中是必要的,但它是出了名的困难和昂贵,要压缩成气体,或低温冷凝成液体,以便储存和运输。

另一方面,储氢粉末更容易处理,也更便宜,有可能极大地改变使用氢气的成本,使新的应用变得可行。这就是为什么迪肯的机械化学球磨工艺和EAT的Si+硅粉是如此重要的原因。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的这一进展也可能是这样一个大问题。这东西听起来非常容易制造,而且更容易用于氢气生产。如果储存在环己烷气体中,它可以很好地储存和运输至少三个月。它在海水中工作的事实是非常重要的;获得清洁的水并不是你想在今后的业务中押注的那种东西。镓可以被收集并回收到工艺中的事实将有助于降低成本。而且,反应是在环境压力和温度下进行的,这意味着可以在整个操作的最末端使用更少的设备,因为实际上需要氢气。

那么,与其他两种粉末相比,它是如何衡量的呢?研究人员所提供的数字至少允许我们进行猜测。如果把这种东西当作氢气储存介质,那么关键指标可能是质量分数:对于给定质量的粉末,你能得到多少氢气?如果一克镓铝粉产生 130 毫升或 5.4 毫摩尔的氢气,那么氢气的重量为 0.00544 克。

这是一个0.544%的质量分数。EAT的Si+粉末可能是现阶段最受欢迎的物质,至少在这个指标上,声称其质量分数为13.5%。当然,当谈论商业能源运输和释放循环时,还有许多其他的考虑因素--特别是对水质不挑剔的考虑--所以这种新粉末肯定还有机会做出贡献。

该研究发表在《ACS纳米材料》杂志上。

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