Инженеры Массачусетского технологического института разработали быстрый и устойчивый метод производства водородного топлива с использованием алюминия, морской воды и кофейной гущи.
Инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что если алюминий, содержащийся в банках из-под газировки, смешать с морской водой, то раствор начнет пузыриться и естественным образом выделять водород - газ, который впоследствии можно использовать для питания двигателя или топливного элемента без выбросов углекислого газа. Более того, эту простую реакцию можно ускорить, добавив в нее обычный стимулятор - кофеин.
В исследовании, опубликованном в журнале Cell Reports Physical Science, ученые показывают, что они могут производить газообразный водород, опуская предварительно обработанные алюминиевые гранулы размером с гальку в стакан с отфильтрованной морской водой. Алюминий предварительно обрабатывается редкометаллическим сплавом, который эффективно очищает алюминий до чистой формы, способной вступать в реакцию с морской водой для получения водорода. Ионы соли в морской воде, в свою очередь, притягивают и восстанавливают сплав, который может быть повторно использован для производства водорода в устойчивом цикле.
Команда обнаружила, что реакция между алюминием и морской водой успешно производит газообразный водород, хотя и медленно. На радостях они бросили в смесь немного кофейной гущи и, к своему удивлению, обнаружили, что реакция пошла быстрее.
В итоге команда обнаружила, что небольшой концентрации имидазола - активного ингредиента кофеина - достаточно, чтобы значительно ускорить реакцию, производя то же количество водорода всего за пять минут по сравнению с двумя часами без добавления стимулятора.
Исследователи разрабатывают небольшой реактор, который мог бы работать на морском судне или подводном аппарате. На судне будет храниться запас алюминиевых гранул (переработанных из старых банок из-под газировки и других алюминиевых изделий), а также небольшое количество галлия-индия и кофеина. Эти ингредиенты можно было бы периодически вводить в реактор вместе с частью окружающей морской воды, чтобы производить водород по требованию. Затем водород может служить топливом для бортового двигателя или вырабатывать электроэнергию для питания судна.
«Это очень интересно для морского применения, например, для лодок или подводных транспортных средств, потому что вам не придется возить с собой морскую воду - она легко доступна», - говорит ведущий автор исследования Али Комбарги, аспирант кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Нам также не придется возить с собой баллон с водородом. Вместо этого мы будем перевозить алюминий в качестве «топлива» и просто добавлять воду для получения необходимого нам водорода».
Соавторами исследования являются Энох Эллис, студент факультета химического машиностроения, Питер Годарт PhD '21, который основал компанию по переработке алюминия в качестве источника водородного топлива, и Дуглас Харт, профессор машиностроения MIT.
Команда MIT под руководством Харта разрабатывает эффективные и устойчивые методы производства газообразного водорода, который рассматривается как «зеленый» источник энергии, способный питать двигатели и топливные элементы, не производя выбросов, способствующих потеплению климата.
Один из недостатков заправки автомобилей водородом заключается в том, что некоторые конструкции требуют перевозить газ на борту, как традиционный бензин в баке - рискованное мероприятие, учитывая летучесть водорода. Харт и его команда занялись поиском способов питания автомобилей водородом без необходимости постоянно перевозить сам газ.
Они нашли возможный обходной путь в алюминии - природно богатом и стабильном материале, который при контакте с водой вступает в простую химическую реакцию с выделением водорода и тепла.
Однако эта реакция сопровождается проблемой: хотя алюминий может генерировать водород при смешивании с водой, он может делать это только в чистом, незащищенном состоянии. Как только алюминий встречается с кислородом, например, в воздухе, на его поверхности сразу же образуется тонкий, похожий на щит, слой оксида, который препятствует дальнейшим реакциям. Именно благодаря этому барьеру водород не появляется сразу, когда вы опускаете банку с газировкой в воду.
В предыдущей работе, используя пресную воду, команда обнаружила, что может пробить защиту алюминия и продолжить реакцию с водой, если предварительно обработать алюминий небольшим количеством сплава редких металлов, состоящего из определенной концентрации галлия и индия. Сплав служит «активатором», счищая все оксидные образования и создавая чистую поверхность алюминия, которая может свободно реагировать с водой. Запустив реакцию в свежей деионизированной воде, они обнаружили, что одна предварительно обработанная гранула алюминия производит 400 миллилитров водорода всего за пять минут. По их расчетам, всего 1 грамм гранул может произвести 1,3 литра водорода за такое же время.
Но для дальнейшего расширения масштабов системы потребуются значительные запасы галлий-индия, который является относительно дорогим и редким веществом.
«Чтобы эта идея была экономически эффективной и устойчивой, мы должны были работать над восстановлением этого сплава после реакции», - говорит Комбарги.
В своей новой работе команда обнаружила, что может извлекать и повторно использовать галлий-индий с помощью раствора ионов. Ионы - атомы или молекулы с электрическим зарядом - защищают металлический сплав от реакции с водой и помогают ему осаждаться в форме, которую можно извлечь и использовать повторно.
«К счастью для нас, морская вода - это ионный раствор, который очень дешев и доступен», - говорит Комбарги, который проверил свою идею с помощью морской воды с ближайшего пляжа. «Я буквально отправился на пляж Ревир с другом, мы взяли бутылки и наполнили их, а затем я просто отфильтровал водоросли и песок, добавил в нее алюминий, и все получилось с одинаковыми результатами».
Он обнаружил, что водород действительно бурлит, когда он добавляет алюминий в стакан с отфильтрованной морской водой. После этого он смог вычерпать галлий-индий. Но реакция протекала гораздо медленнее, чем в пресной воде. Оказалось, что ионы в морской воде экранируют галлий-индий, благодаря чему он может слипнуться и быть извлеченным после реакции. Но ионы оказывают аналогичное воздействие на алюминий, создавая барьер, который замедляет его реакцию с водой.
В поисках способов ускорить реакцию в морской воде исследователи опробовали различные и нетрадиционные ингредиенты.
«Мы просто играли с вещами на кухне и обнаружили, что когда мы добавили кофейную гущу в морскую воду и опустили туда алюминиевые гранулы, реакция пошла довольно быстро по сравнению с простой морской водой», - рассказывает Комбарги.
Чтобы понять, чем можно объяснить такое ускорение, команда обратилась к коллегам с химического факультета Массачусетского технологического института, которые предложили попробовать имидазол - активный ингредиент кофеина, который имеет молекулярную структуру, способную пробить алюминий (позволяя материалу продолжать реакцию с водой), оставляя при этом ионный экран галлий-индия нетронутым.
«Это была наша большая победа», - говорит Комбарги. «Мы получили все, что хотели: восстановление индия галлия, а также быструю и эффективную реакцию».
Исследователи считают, что у них есть все необходимые ингредиенты для запуска устойчивого водородного реактора. Сначала они планируют испытать его в морских и подводных аппаратах. По их расчетам, такой реактор, содержащий около 40 фунтов алюминиевых гранул, может питать небольшой подводный планер в течение 30 дней, закачивая в него окружающую морскую воду и вырабатывая водород для питания двигателя.
Мы показываем новый способ производства водородного топлива, не перевозя водород, а используя алюминий в качестве «топлива»», - говорит Комбарги. «Следующая часть работы - выяснить, как использовать это для грузовиков, поездов и, возможно, самолетов. Возможно, вместо того, чтобы возить с собой воду, мы могли бы извлекать ее из окружающей влаги для производства водорода. Это в перспективе».
