Химики UCSC разработали галлий

Химики Калифорнийского университета в Санта-Крус разработали простой метод создания наночастиц алюминия, которые расщепляют воду и быстро выделяют газообразный водород в условиях окружающей среды. Реакция расщепления воды не требует приложенного потенциала и работает в условиях окружающей среды и нейтральном pH, быстро генерируя 130 мл (5,4 ммоль) водорода на грамм сплава. Статья об их работе опубликована в журнале ACS Applied Nano Materials.

Алюминий — высокореактивный металл, который может удалять кислород из молекул воды с образованием газообразного водорода. Его широкое использование в продуктах, которые намокают, не представляет опасности, поскольку алюминий мгновенно вступает в реакцию с воздухом, образуя покрытие из оксида алюминия, блокирующее дальнейшие реакции.

В течение многих лет исследователи пытались найти эффективные и экономичные способы использования реакционной способности алюминия для производства чистого водородного топлива. Новое исследование, проведенное исследователями из UCSC, показывает, что легко производимый композит галлия и алюминия создает наночастицы алюминия, которые быстро реагируют с водой при комнатной температуре, образуя большое количество водорода. Галлий был легко восстановлен для повторного использования после реакции, в результате которой получается 90% водорода, который теоретически может быть получен в результате реакции всего алюминия в композите.

Нам не нужны никакие затраты энергии, а водород бурлит как сумасшедший. Я никогда не видел ничего подобного.

Пузырьки газообразного водорода образуются в результате реакции воды с композитом алюминия и галлия. Фильмы реакции доступны в Интернете. (Фото: Амберчан и др., Applied Nano Materials, 2022 г.)

Реакция алюминия и галлия с водой известна с 1970-х годов, и видеоролики ее легко найти в Интернете. Это работает, потому что галлий, жидкость при температуре чуть выше комнатной, удаляет пассивное покрытие из оксида алюминия, обеспечивая прямой контакт алюминия с водой. Однако новое исследование включает в себя несколько инноваций и новых результатов, которые могут найти практическое применение.

Заявка на патент США на эту технологию находится на рассмотрении. Международная заявка (PCT), на которой она основана, находится здесь.

В предыдущих исследованиях в основном использовались богатые алюминием смеси алюминия и галлия или, в некоторых случаях, более сложные сплавы. Но лаборатория Бактана Сингарама, профессора химии и биохимии и соавтора исследования, обнаружила, что производство водорода увеличивается при использовании композита, богатого галлием. Фактически, скорость производства водорода была настолько неожиданно высокой, что исследователи подумали, что в этом богатом галлием сплаве должно быть что-то фундаментально другое.

Оливер предположил, что образование наночастиц алюминия может объяснить увеличение производства водорода, и в его лаборатории было оборудование, необходимое для наномасштабной характеристики сплава. Используя сканирующую электронную микроскопию и рентгеновскую дифракцию, исследователи показали образование наночастиц алюминия в композите галлий-алюминий 3:1, который, по их мнению, является оптимальным соотношением для производства водорода.

Сканирующая электронная микроскопия композита показывает наночастицы алюминия в матрице галлия. (Фото: Амберчан и др., Applied Nano Materials, 2022 г.)

В этом богатом галлием композите галлий служит как для растворения покрытия из оксида алюминия, так и для разделения алюминия на наночастицы.

Для изготовления композита не требовалось ничего, кроме простого ручного смешивания. Композит может быть изготовлен из легкодоступных источников алюминия, включая использованную фольгу или банки, а композит можно хранить в течение длительного времени, покрывая его циклогексаном для защиты от влаги.

По словам Сингарама, хотя галлия не так много и он относительно дорог, его можно восстанавливать и повторно использовать несколько раз без потери эффективности. Однако еще неизвестно, можно ли масштабировать этот процесс для практического использования в коммерческом производстве водорода.

Эта работа частично поддерживалась средствами Фонда Имы Эрнандес.

Ресурсы

Габриэлла Амберчан, Исай Лопес, Беатрис Эльке, Джереми Барнетт, Нео Й. Бао, А'Лестер Аллен, Бактан Сингарам и Скотт Р.Дж. Оливер (2022) «Алюминиевые наночастицы из композита Ga-Al для расщепления воды и генерации водорода» ACS Applied Наноматериалы doi: 10.1021/acsanm.1c04331