Medan bilar som drivs av vätebränsleceller erbjuder tydliga fördelar jämfört med de elbilar som växer i popularitet (inklusive deras längre räckvidd, deras lägre totala miljöpåverkan, och det faktum att de kan tankas på några minuter, kontra timmar laddningstid), de har ännu inte tagit fart hos konsumenterna. En anledning är den höga kostnaden och komplexiteten att producera, distribuera, och lagra det rena vätet som behövs för att driva dem, vilket har hindrat utbyggnaden av vätgastankstationer.

Ingenjörer har länge insett kraften - och obegränsad tillgänglighet - av väte, det mest förekommande elementet i universum. Väte förekommer naturligt i miljön, men den är nästan alltid kemiskt bunden till andra element - till syre i vatten (H2O), till exempel, eller till kol i metan (CH4). För att få rent väte, den måste separeras från en av dessa molekyler. Så gott som allt väte som produceras i USA erhålls från kolvätebränslen, främst naturgas, genom ångreform, en flerstegsprocess där kolvätena reagerar med högtemperaturånga i närvaro av en katalysator för att producera kolmonoxid, koldioxid, och molekylärt väte (H2).

Vätet kan sedan separeras från de andra gaserna genom en besvärlig, kemisk process i flera steg, men kostnaden och komplexiteten för väteproduktion kan minskas genom att använda ett membran för att göra separationen. De flesta väteseparationsmembran som för närvarande utvecklas använder ädelmetallpalladium, som har ovanligt hög vätelöslighet och permeans (vilket innebär att väte lätt löser sig i och färdas genom metallen, medan andra gaser är undantagna). Men palladium är dyrt (det säljs för närvarande för cirka $ 900 per uns) och ömtåligt.

Av dessa anledningar, kemiingenjörer har länge letat efter alternativ till palladium för användning i väteseparationsmembran, men hittills, inga lämpliga kandidater har dykt upp. En banbrytande studie ledd av Ravindra Datta, professor i kemiteknik vid Worcester Polytechnic Institute (WPI), kan ha identifierat det länge svårfångade palladiumalternativet:flytande metaller.

En mängd metaller och legeringar är flytande vid standarddriftstemperaturer som finns i ångreformeringssystem (cirka 500 grader C), och de flesta av dessa är mycket billigare än palladium. Dessutom, ett membran gjort med en film av flytande metall bör inte vara utsatt för de defekter och sprickor som kan göra ett palladiummembran oanvändbart.

WPI -studien, publiceras i Journal of American Institute of Chemical Engineers , är den första som visar att utöver dessa fördelar, flytande metallmembran verkar också vara betydligt effektivare än palladium för att separera rent väte från andra gaser, föreslår att de kan tillhandahålla en praktisk och effektiv lösning på utmaningen att tillhandahålla prisvärd vätgas för bränslecellsfordon. "Den senaste tidens övergång till elbilar är oåterkallelig, "sa Datta. Nästa steg efter elfordon, han och andra tror, är vätgasdrivna fordon — om vätgasförsörjningspusslet är löst.

Som batteridrivna elbilar, bränslecellsfordon har elmotorer. Motorerna drivs av elektricitet som genereras inuti bränslecellen när väte och syre kombineras i närvaro av en katalysator (den enda "avfallsprodukten" är vatten). Medan de kan dra syre från luften, bilarna måste ha tillgång till rent väte.

Många forskare har fokuserat på att få ner kostnaden för det vätet genom att göra bättre och tunnare palladiummembran. Några av de mest avancerade membranen producerades av pensionerade WPI -kemitekniker Yi Hua "Ed" Ma, WHO, med betydande finansiering från industrin och det amerikanska energidepartementet, banade väg för en process för att binda palladium till ett poröst stålrör, vilket resulterar i palladiumskikt så tunna som 5 till 10 mikron.

Att göra palladiumskiktet tunt ökar membranets flöde, eller hastigheten med vilken rent väte rör sig genom det. "Men om ett membran är för tunt, " Datta sa, "det blir skört eller det utvecklar defekter. Och hinnorna måste vara defekta. Om de till och med utvecklar en hårfästes spricka eller en mikropor, du måste börja om. "

Sex år sedan, Datta och hans elever började undra om flytande metaller kunde övervinna några av palladiums begränsningar – särskilt dess kostnad och skörhet – samtidigt som potentiellt, ger överlägsen vätelöslighet och permeans. "Förutom kemisk affinitet, permeans beror på hur öppen en metallisk kristallstruktur är, " sade han. "Flytande metaller har mer utrymme mellan atomer än fasta metaller, så deras löslighet och spridbarhet borde vara högre. "

Efter en litteraturgenomgång avslöjade ingen tidigare forskning om detta ämne, Datta ansökte framgångsrikt om ett pris på 1 miljon dollar från U.S. Department of Energy för att studera genomförbarheten av att använda flytande metaller för väteseparering. han och hans team, doktorander Pei-Shan Yen och Nicholas Deveau (Yen tog sin doktorsexamen 2016; Deveau fick sin i maj), bestämde sig för att börja sin utforskning med gallium, en icke -toxisk metall som är flytande vid rumstemperatur.

De utförde grundläggande arbete som avslöjade att gallium var en utmärkt kandidat, eftersom det visade signifikant högre vätepermeans än palladium vid förhöjda temperaturer. Faktiskt, laboratoriestudier och teoretisk modellering utförd av teamet visade att ett antal metaller som är flytande vid högre temperaturer kan ha bättre vätgasgenomsläpplighet än palladium.

Medan flytande gallium visade mycket lovande som ett material för väteseparation, att skapa ett fungerande membran med metallen visade sig vara utmanande, Sa Datta. "Det visar sig att flytande metaller är mycket reaktiva, " sa han. "Du kan inte placera gallium på ett poröst metallstöd, som professor Ma gjorde med palladium, eftersom det vid högre temperaturer snabbt bildar intermetalliska föreningar som dödar permeabiliteten." Teamet upptäckte att metallen också kommer att reagera med ett antal keramiska material som vanligtvis används som stöd i palladiummembran.

Genom modellering och experiment, de sammanställde en lista med material, inklusive kolbaserade material som grafit och kiselkarbid, som inte reagerar kemiskt med flytande gallium men som också är vätbara av den flytande metallen, vilket betyder att metallen kommer att spridas ut för att bilda en tunn film på stödmaterialet.

Medvetna om att ytspänningen hos flytande metaller sannolikt kommer att förändras som svar på variationer i temperatur och sammansättningen av de gaser de exponerades för, potentiellt producera läckor, de bestämde sig för att sätta in metallen mellan två lager av bärarmaterial för att skapa ett vätskeformigt metallmembran eller SLiMM. Ett membran som består av ett tunt (två tiondelar av en millimeter) lager av flytande gallium mellan ett lager av kiselkarbid och ett lager av grafit, konstruerades i labbet och testades för stabilitet och vätepermeans.

Membranet exponerades för en väteatmosfär i två veckor vid temperaturer från 480 till 550 grader C. Resultaten visade att den flytande galliumfilmen var upp till 35 gånger mer permeabel för väte än ett jämförbart lager av palladium och att diffusion av väte genom det sandwichade membranet var avsevärt högre än för ett typiskt palladiummembran. Testet visade också att membranen var selektiva, låter bara väte passera.

"Dessa tester bekräftade våra hypoteser att flytande metaller kan vara lämpliga kandidater för väteseparationsmembran, " Datta sa, "föreslår att dessa material kan vara det eftersökta substitutet för palladium. Det finns en mängd frågor som fortfarande behöver besvaras, inklusive om de små membranen vi byggde i laboratoriet kan skalas upp och om membranen kommer att vara resistenta mot ämnen som finns i reformerade gaser (inklusive kolmonoxid och svavel) som är kända för att förgifta palladiummembran.

"Men genom att demonstrera genomförbarheten av inklämda flytande metallmembran, vi har öppnat dörren till ett mycket lovande nytt område inom forskning om väteenergi, " lade Datta till, "för det finns många andra metaller och legeringar, bortom gallium, som är flytande vid 500 grader C. Det är ett stort öppet fält, när det gäller vilka material du kan använda. Också, det ställer en mängd intressanta vetenskapliga frågor. "