Российские ученые разработали новый способ получения водорода из воды
3407
Добавить в закладки
Специалисты из Института лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ) разработали новые экологически чистые катализаторы для получения водорода из воды, а также материалы для его хранения и транспортировки. По мнению исследователей, это сделает водородную энергетику дешевле, экологичнее и безопаснее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.
Одним из наиболее простых методов получения водорода является электролиз — расщепление воды под действием электрического тока. Чтобы эффективно осуществлять этот процесс, требуются новые электроды, состоящие из дешевых материалов, компоненты которых должны быть распространены в природе.
Для создания таких электродов требуется нанести тонкие пленки из новых наноматериалов на достаточно дешевые углеродные пластинки.
Сотрудники лаборатории лазерного синтеза многофункциональных наноматериалов Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ разработали лазерные технологии, с помощью которых можно регулировать условия осаждения тонких пленок на электроды и получать пленки-катализаторы с требуемым химическим составом и оптимальной упаковкой атомов.
«Мы используем лазерное излучение для испарения и ионизации мишеней, изготовленных из дисульфида молибдена. Подбирая интенсивность лазерного облучения мишени и условия разлета лазерной плазмы до электрода, мы выращиваем пленки с требуемыми характеристиками. Наши экологически чистые методы позволяют получить катализаторы, которые не уступают лучшим мировым образцам, полученным с применением опасных реагентов», — рассказал заведующий лабораторией, профессор Вячеслав Фоминский.
Для хранения и транспортировки полученного топлива, сотрудники лаборатории взаимодействия плазмы с поверхностью и плазменных технологий Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ разработали специальные твердотельные накопители.
«Накопитель представляет собой емкость, наполненную мелким (порядка микрона) металлическим порошком. Она «заряжается» водородом путем нагрева порошка в атмосфере водорода и затем «разряжается» путем нагрева, освобождая водород для его использования в топливном цикле. Другой тип твердотельных накопителей – пленочные накопители, в которых в атмосфере водорода на тонкую ленту наносится тонкий слой водород-активного металла. В одном цикле происходит и нанесение металла, и его насыщение водородом», — рассказал заведующий лабораторией, профессор Александр Писарев.
В отличие от своих порошковых аналогов, твердотельные накопители имеют быстроту срабатывания и быстрый нагрев током.
В перспективе сотрудники МИФИ собираются продолжить работу в этих направлениях.
Автор Максим Майоров
физика вода водород мифи
Источник: РИА Новости
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
Как звучали членистоногие в эпоху динозавров
19:00 / Палеонтология
Минпросвещения предложило создать концепцию развития инженерного образования в РФ
18:50 / Инженерия, Наука и общество
Инновационные капли ускорят лечение глазных заболеваний у животных
17:30 / Биология, Химия
Получены необычные световые импульсы прямоугольной и треугольной формы
16:30 / Физика
Разработка ученых Пермского Политеха позволит безопасно транспортировать попутный нефтяной газ
15:30 / Инженерия
Президент РАН Г.Я. Красников включен в состав Экспертного совета при правительстве Российской Федерации
15:10 / Наука и общество
15.12.22 — Пресс-конференция главного внештатного онколога Минздрава России академика Андрея Каприна
15:00 / Здравоохранение, Наука и общество
Ученые нашли связь между эволюцией и генетикой аутоиммунных и аллергических заболеваний
14:30 / Биология
Вице-президент РАН Михаил Пирадов рассказал о создании регионоориентированной программы детского здравоохранения и просвещения
13:50 / Наука и общество
Научный совет РАН по нанотехнологиям будет присоединен к совету по квантовым технологиям
13:46 / Наука и общество
Памяти великого ученого.
Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008
04.03.2019
Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002
04.03.2019
Вспоминая Сергея Петровича Капицу
14.02.2017
История новогодних праздников
Смотреть все
Химики РУДН создали катализатор для получения водорода из воды с помощью света
Химики РУДН вместе с коллегами из Ирана и Финляндии создали трехмерный катализатор для получения водорода из воды при помощи света. Материал состоит из оксида вольфрама на подложке из пористого углерода. Разработка поможет производить водородное топливо решить проблему исчерпаемости нефтепродуктов.
Основной энергетический ресурс современного мира — невозобновляемая нефть. Запасов хватит примерно на 50 лет. Одна из возможных альтернатив — водород. У него высокая энергоемкость, он значительно экологичнее нефти — при его сгорании в окружающую среду выделяется только вода.
«Синтез трехмерных фотокатализаторов открывает большой потенциал для химических реакций и получения водорода. Они помогут найти эффективное решение проблем охраны окружающей среды и дефицита энергии», — кандидат наук Хатаии Алиреза, ведущий научный сотрудник факультета физико-математических и естественных наук РУДН.
Фотокаталитическое разложение воды иногда называют искусственным фотосинтезом, потому что оно повторяет одну из стадий этого природного процесса. Чтобы расщепить воду на водород и кислород при помощи света, ее помещают в катализатор. В нем под действием света с определенной длиной волны образуются свободные электроны. Благодаря смещению электронов возникают «дырки» — условные положительные заряды, которые появляются там, где должны были быть электроны.
Между электронами и дырками возникает напряжение. Под действием напряжения молекулы воды расщепляются на радикалы — ионы водорода и кислорода. После этого водородный радикал превращается в молекулу H
Синтез нового материала химики РУДН провели методом самосборки, а в качестве шаблона использовали клетки диатомовых водорослей. На них нанесли каркас из органического соединения, на котором осаждали наночастицы оксида железа. Следом шел слой оксида вольфрама и вспомогательного органического вещества — прекурсора. На следующем этапе ученые нагрели получившийся «бутерброд» так, что прекурсор разложился и превратился в пористую углеродную подложку. Наконец, химики поместили материал в плазменный реактор с атмосферой азота. Это было нужно для внедрения атомов азота в структуру катализатора.
В результате химики РУДН получили пористый материал с большой удельной площадью — в одном грамме умещается около 208 квадратных метров.
За один час один килограмм катализатора дает 5,5 граммов водорода. При нормальном давлении это соответствует примерно 61 000 литрам.
Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
ученых нашли простой способ получения водорода из воды при комнатной температуре: ScienceAlert
Пузырьки газообразного водорода образуются в результате реакции воды с алюминиево-галлиевым композитом. (Амберчан и др., Прикладные наноматериалы, 2022 г.)
Водородное топливо обещает стать чистым и обильным источником энергии в будущем — до тех пор, пока ученые смогут найти способы его практического и дешевого производства без ископаемого топлива.
Новое исследование дает нам еще один многообещающий шаг в этом направлении, при условии, что вы сможете использовать существующие запасы алюминия и галлия, бывших в употреблении.
В новом исследовании ученые описывают относительно простой метод с использованием наночастиц алюминия, которые способны отделять кислород от молекул воды и оставлять газообразный водород.
Процесс дает большое количество водорода, и все это работает при комнатной температуре.
Это устраняет одно из серьезных препятствий для производства водородного топлива: большое количество энергии, необходимой для его производства с использованием существующих методов.
Этот метод работает с любой водой, включая сточные воды и океанскую воду.
«Нам не нужна никакая энергия, а водород пузырится как сумасшедший», — говорит материаловед Скотт Оливер из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC).
«Я никогда не видел ничего подобного.»
Ключом к процессу является использование металлического галлия, чтобы обеспечить непрерывную реакцию с водой. Эта реакция алюминия-галлия-воды известна уже несколько десятилетий, но здесь команда оптимизировала и усовершенствовала ее несколькими конкретными способами.
С помощью методов сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции исследователи смогли найти наилучшую смесь алюминия и галлия для получения водорода с наибольшей эффективностью: композит галлия-алюминия 3:1.
Сплав, богатый галлием, выполняет двойную функцию: удаляет оксидное покрытие алюминия (которое обычно блокирует реакцию с водой) и производит наночастицы алюминия, ускоряющие реакции.
«Галлий разделяет наночастицы и препятствует их агрегации в более крупные частицы», — говорит Бактан Сингарам, профессор органической химии Калифорнийского университета в Южной Калифорнии.
«Люди изо всех сил пытались создать наночастицы алюминия, и вот мы производим их при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре».
Исследователи сообщают, что метод смешивания не сложен, а композитный материал может храниться не менее трех месяцев при погружении в циклогексан для защиты от влаги, которая в противном случае ухудшила бы его эффективность.
Алюминий легче достать, чем галлий, поскольку его можно получить из материалов, бывших в употреблении, таких как выброшенные алюминиевые банки и фольга.
Галлий дороже и менее распространен, но, по крайней мере, в этом процессе его можно многократно извлекать и повторно использовать без потери его эффективности.
Предстоит еще много работы, не в последнюю очередь для того, чтобы убедиться, что это можно масштабировать от лабораторной установки до чего-то, что можно использовать в промышленных масштабах. Тем не менее, первые признаки того, что это еще один метод, который имеет большой потенциал для производства водородного топлива.
«В целом смесь Ga-Al [богатая галлием галлий-алюминий] производит значительное количество водорода при комнатной температуре без подвода энергии, манипуляций с материалами или изменения pH», — заключают исследователи в своей статье.
Исследование опубликовано в журнале Applied Nano Materials .
Использование алюминия и воды для производства чистого водородного топлива — когда и где это необходимо | MIT News
Поскольку мир работает над тем, чтобы отказаться от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть расширенную роль в секторах от транспорта и промышленности до строительства и производства электроэнергии.
Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, тепловых котлах, газовых турбинах, вырабатывающих электроэнергию, системах хранения возобновляемой энергии и многом другом.
Но при использовании водорода не образуются выбросы углерода, как это обычно бывает. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов, основанных на ископаемом топливе, которые вместе производят более 2 процентов всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте, а потребляется в другом, что означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.
Многообещающая реакция
Еще один способ получения водорода исходит, возможно, из неожиданного источника: реакции алюминия с водой. Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его прямой контакт с водой.
Использование реакции алюминия и воды для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки в любом месте с доступной водой. Просто переместите алюминий, а затем проведите реакцию с водой на месте. «По сути, алюминий становится механизмом для хранения водорода — и очень эффективным», — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем «хранить» водород с плотностью в 10 раз большей, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».
Две проблемы не позволяют использовать алюминий в качестве безопасного и экономичного источника для производства водорода. Первая проблема заключается в обеспечении того, чтобы алюминиевая поверхность была чистой и доступной для реакции с водой. С этой целью практическая система должна включать средства, сначала модифицирующие оксидный слой, а затем предотвращающие его повторное формирование по мере протекания реакции.
Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия требует больших затрат энергии, поэтому любой практический подход требует использования лома алюминия из различных источников. Но алюминиевый лом – не самый простой исходный материал. Обычно он встречается в легированной форме, что означает, что он содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей. Например, добавление магния увеличивает прочность и коррозионную стойкость, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.
Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить прилипание оксидного слоя к поверхности алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество генерируемого водорода и скорость, с которой он генерируется?
«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода в практических целях, мы должны быть в состоянии лучше предсказать, какие характеристики образования водорода мы будем наблюдать в результате реакции алюминия с водой», — говорит доктор философии Лорин Меруэ.
20 лет, получившая докторскую степень в области машиностроения.
Поскольку основные этапы реакции изучены недостаточно, трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Поэтому Харт, Меруэ и Томас У. Игар, профессор кафедры материаловедения и инженерного менеджмента на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов на реакцию алюминия с водой. и о перспективной методике предотвращения образования мешающего оксидного слоя.
Для подготовки специалисты Novelis Inc. изготовили образцы чистого алюминия и специальных алюминиевых сплавов, изготовленных из технически чистого алюминия в сочетании с 0,6% кремния (по весу), 1% магния или с обоими составами, типичными для алюминиевый лом из различных источников. Используя эти образцы, исследователи Массачусетского технологического института провели серию тестов для изучения различных аспектов реакции алюминия с водой.
Предварительная обработка алюминия
Первым шагом была демонстрация эффективного средства проникновения через оксидный слой, образующийся на алюминии на воздухе. Твердый алюминий состоит из крошечных зерен, которые упакованы вместе со случайными границами, где они не совпадают идеально. Чтобы максимизировать производство водорода, исследователям необходимо предотвратить образование оксидного слоя на всех внутренних поверхностях зерен.
Исследовательские группы уже опробовали различные способы «активации» алюминиевых зерен для реакции с водой. Некоторые измельчают образцы металлолома на настолько мелкие частицы, что оксидный слой не прилипает. А вот алюминиевые порошки опасны, так как могут вступить в реакцию с влагой и взорваться. Другой подход требует измельчения образцов лома и добавления жидких металлов для предотвращения осаждения оксидов. Но шлифование – это дорогостоящий и энергоемкий процесс.
По мнению Харта, Меруэ и Игара, наиболее многообещающий подход, впервые предложенный Джонатаном Слокамом, доктором философии ’18, когда он работал в исследовательской группе Харта, заключался в предварительной обработке твердого алюминия путем нанесения на него жидких металлов и обеспечения их проникновения.
через границы зерен.
Чтобы определить эффективность этого подхода, исследователям нужно было подтвердить, что жидкие металлы могут достигать внутренних поверхностей зерен, как с присутствием легирующих элементов, так и без них. И им нужно было установить, сколько времени потребуется, чтобы жидкий металл покрыл все зерна чистого алюминия и его сплавов.
Они начали с объединения двух металлов — галлия и индия — в определенных пропорциях для создания «эвтектической» смеси; то есть смесь, которая останется в жидкой форме при комнатной температуре. Они покрыли свои образцы эвтектикой и позволили ей проникнуть в течение периода времени от 48 до 96 часов. Затем они подвергали образцы воздействию воды и контролировали выход водорода (количество образовавшегося) и скорость потока в течение 250 минут. Через 48 часов они также сделали изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с большим увеличением, чтобы увидеть границы между соседними зернами алюминия.
Основываясь на измерениях выхода водорода и изображениях СЭМ, команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что эвтектика галлия-индия естественным образом проникает и достигает внутренних поверхностей зерен.
Однако скорость и степень проникновения варьируются в зависимости от сплава. Скорость проникновения в образцах алюминия, легированного кремнием, была такой же, как и в образцах чистого алюминия, но ниже в образцах, легированных магнием.
Возможно, наиболее интересными были результаты для образцов, легированных как кремнием, так и магнием — алюминиевым сплавом, который часто встречается в рециркуляционных потоках. Кремний и магний химически связываются с образованием силицида магния, который образуется в виде твердых отложений на внутренней поверхности зерна. Меруэх предположил, что, когда в алюминиевом ломе присутствуют и кремний, и магний, эти отложения могут действовать как барьеры, препятствующие протеканию эвтектики галлий-индий.
Эксперименты и изображения подтвердили ее гипотезу: твердые отложения действительно действовали как барьеры, а изображения образцов, предварительно обработанных в течение 48 часов, показали, что проникновение не было полным. Ясно, что длительный период предварительной обработки будет иметь решающее значение для максимизации выхода водорода из алюминиевых отходов, содержащих как кремний, так и магний.
Меруэ указывает на несколько преимуществ используемого ими процесса. «Вам не нужно применять какую-либо энергию, чтобы эвтектика галлия-индия воздействовала на алюминий и избавлялась от этого оксидного слоя», — говорит она. «Как только вы активируете алюминий, вы можете бросить его в воду, и он будет генерировать водород — никаких затрат энергии не требуется». Более того, эвтектика не вступает в химическую реакцию с алюминием. «Он просто физически перемещается между зернами», — говорит она. «В конце процесса я мог восстановить весь вложенный галлий и индий и использовать их снова» — ценная функция, поскольку галлий и (особенно) индий дороги и относительно дефицитны.
Влияние легирующих элементов на образование водорода
Затем исследователи исследовали, как присутствие легирующих элементов влияет на образование водорода. Они испытали образцы, обработанные эвтектикой в течение 96 часов; к тому времени выход водорода и скорость потока выровнялись во всех образцах.
Присутствие 0,6 процента кремния увеличивало выход водорода для данного веса алюминия на 20 процентов по сравнению с чистым алюминием, даже несмотря на то, что кремнийсодержащий образец содержал меньше алюминия, чем образец чистого алюминия. Напротив, присутствие 1 процента магния производило гораздо меньше водорода, а добавление как кремния, так и магния увеличивало выход, но не до уровня чистого алюминия.
Присутствие кремния также значительно увеличивает скорость реакции, вызывая гораздо более высокий пик скорости потока, но сокращая продолжительность выделения водорода. Присутствие магния приводило к более низкой скорости потока, но позволяло выходу водорода оставаться довольно стабильным с течением времени. И снова алюминий с обоими легирующими элементами давал скорость потока между легированным магнием и чистым алюминием.
Эти результаты дают практическое руководство о том, как отрегулировать выход водорода в соответствии с рабочими потребностями устройства, потребляющего водород.
Если исходным материалом является технически чистый алюминий, добавление небольшого количества тщательно подобранных легирующих элементов может регулировать выход водорода и скорость потока. Если исходным материалом является алюминиевый лом, ключевым фактором может быть тщательный выбор источника. Для мощных кратковременных всплесков водорода хорошо подойдут куски кремнийсодержащего алюминия со свалки автомобилей. Для более низких, но более длинных потоков лучше использовать содержащие магний отходы от каркаса снесенного здания. Для результатов где-то посередине хорошо подойдет алюминий, содержащий как кремний, так и магний; такой материал в изобилии доступен из списанных автомобилей и мотоциклов, яхт, велосипедных рам и даже чехлов для смартфонов.
Также должна быть возможность комбинировать обрезки различных алюминиевых сплавов для улучшения результата, отмечает Меруэ. «Если у меня есть образец активированного алюминия, который содержит только кремний, и другой образец, содержащий только магний, я могу поместить их оба в контейнер с водой и дать им прореагировать», — говорит она.
«Таким образом, я получаю быстрый рост производства водорода из кремния, а затем магний вступает во владение и имеет такой стабильный выход».
Еще одна возможность для настройки: Уменьшение размера зерна
Другим практическим способом повлиять на производство водорода может быть уменьшение размера алюминиевых зерен — изменение, которое должно увеличить общую площадь поверхности, доступную для протекания реакций.
Чтобы исследовать этот подход, исследователи запросили у своего поставщика специально изготовленные образцы. Используя стандартные промышленные процедуры, специалисты Novelis сначала пропускали каждый образец через два ролика, сжимая его сверху и снизу, чтобы внутренние зерна были сплющены. Затем они нагревали каждый образец до тех пор, пока длинные плоские зерна не реорганизовались и не сжались до заданного размера.
В ходе серии тщательно спланированных экспериментов команда Массачусетского технологического института обнаружила, что уменьшение размера зерна увеличивает эффективность и сокращает продолжительность реакции в различной степени в различных образцах.
Опять же, большое влияние на результат оказало присутствие определенных легирующих элементов.
Требуется: пересмотренная теория, объясняющая наблюдения
В ходе своих экспериментов исследователи столкнулись с некоторыми неожиданными результатами. Например, стандартная теория коррозии предсказывает, что чистый алюминий будет генерировать больше водорода, чем алюминий, легированный кремнием, — противоположное тому, что они наблюдали в своих экспериментах.
Чтобы пролить свет на лежащие в основе химические реакции, Харт, Меруэ и Игар исследовали «поток» водорода, то есть объем водорода, образующийся с течением времени на каждом квадратном сантиметре поверхности алюминия, включая внутренние зерна. Они изучили три размера зерна для каждого из четырех составов и собрали тысячи точек данных, измеряющих поток водорода.
Их результаты показывают, что уменьшение размера зерна оказывает значительное влияние. Он увеличивает пиковый поток водорода из алюминия, легированного кремнием, в 100 раз, а из трех других составов — в 10 раз.
Как для чистого алюминия, так и для алюминия, содержащего кремний, уменьшение размера зерна также уменьшает задержку перед пиковым потоком и увеличивает скорость последующего снижения. В магнийсодержащем алюминии уменьшение размера зерна приводит к увеличению пикового потока водорода и приводит к несколько более быстрому снижению скорости выхода водорода. При наличии как кремния, так и магния поток водорода с течением времени напоминает поток алюминия, содержащего магний, когда размер зерна не изменяется. Когда размер зерна уменьшается, характеристики выхода водорода начинают напоминать поведение, наблюдаемое в кремнийсодержащем алюминии. Этот результат был неожиданным, потому что, когда одновременно присутствуют кремний и магний, они реагируют с образованием силицида магния, в результате чего получается новый тип алюминиевого сплава со своими свойствами.
Исследователи подчеркивают преимущества лучшего фундаментального понимания лежащих в основе химических реакций. В дополнение к руководству по проектированию практических систем, это могло бы помочь им найти замену дорогому индию в их смеси для предварительной обработки.
