Bubblor av vätgas genereras från reaktionen mellan vatten och en aluminium-galliumkomposit. Kredit:Amberchan et al.
Aluminium är en mycket reaktiv metall som kan avlägsna syre från vattenmolekyler för att generera vätgas. Dess utbredda användning i produkter som blir blöta utgör ingen fara eftersom aluminium omedelbart reagerar med luft för att få en beläggning av aluminiumoxid, vilket blockerar ytterligare reaktioner.
I åratal har forskare försökt hitta effektiva och kostnadseffektiva sätt att använda aluminiums reaktivitet för att generera rent vätebränsle. En ny studie av forskare vid UC Santa Cruz visar att en lättproducerad komposit av gallium och aluminium skapar aluminiumnanopartiklar som reagerar snabbt med vatten vid rumstemperatur för att ge stora mängder väte. Galliumet utvanns lätt för återanvändning efter reaktionen, vilket ger 90 % av det väte som teoretiskt skulle kunna produceras från reaktion av allt aluminium i kompositen.
"Vi behöver ingen energitillförsel, och det bubblar väte som en galning. Jag har aldrig sett något liknande", säger UCSC kemiprofessor Scott Oliver.
Oliver och Bakthan Singaram, professor i kemi och biokemi, är motsvarande författare till en artikel om de nya rönen, publicerad 14 februari i Applied Nano Materials .
Reaktionen av aluminium och gallium med vatten har varit känd sedan 1970-talet, och videor av det är lätta att hitta på nätet. Det fungerar eftersom gallium, en vätska vid strax över rumstemperatur, tar bort den passiva aluminiumoxidbeläggningen, vilket tillåter direkt kontakt mellan aluminium och vatten. Den nya studien innehåller dock flera innovationer och nya rön som kan leda till praktiska tillämpningar.
En amerikansk patentansökan är under behandling för denna teknik.
Singaram sa att studien växte fram ur en konversation han hade med en student, medförfattaren Isai Lopez, som hade sett några videor och börjat experimentera med generering av aluminium-galliumväte i sitt hemkök.
"Han gjorde det inte på ett vetenskapligt sätt, så jag satte upp honom med en doktorand för att göra en systematisk studie. Jag trodde att det skulle vara en bra senioruppsats för honom att mäta väteproduktionen från olika förhållanden mellan gallium och aluminium ," sa Singaram.
Tidigare studier hade mest använt aluminiumrika blandningar av aluminium och gallium, eller i vissa fall mer komplexa legeringar. Men Singarams labb fann att väteproduktionen ökade med en galliumrik komposit. Faktum är att väteproduktionshastigheten var så oväntat hög att forskarna trodde att det måste vara något fundamentalt annorlunda med denna galliumrika legering.
Oliver föreslog att bildningen av nanopartiklar av aluminium kunde förklara den ökade väteproduktionen, och hans labb hade den utrustning som behövdes för att karakterisera legeringen i nanoskala. Med hjälp av svepelektronmikroskopi och röntgendiffraktion visade forskarna bildandet av aluminiumnanopartiklar i en 3:1 gallium-aluminiumkomposit, som de fann vara det optimala förhållandet för väteproduktion.
Svepelektronmikroskopi av aluminium-gallium-kompositen visar aluminiumnanopartiklar i en matris av gallium. Kredit:Amberchan et al.
I denna galliumrika komposit tjänar galliumet både till att lösa upp aluminiumoxidbeläggningen och att separera aluminiumet till nanopartiklar. "Gallium separerar nanopartiklarna och hindrar dem från att aggregeras till större partiklar," sa Singaram. "Människor har kämpat för att tillverka nanopartiklar av aluminium, och här producerar vi dem under normalt atmosfärstryck och rumstemperaturförhållanden."
Att göra kompositen krävde inget annat än enkel manuell blandning.
"Vår metod använder en liten mängd aluminium, vilket säkerställer att allt löses upp i majoriteten av gallium som diskreta nanopartiklar," sa Oliver. "Detta genererar en mycket större mängd väte, nästan komplett jämfört med det teoretiska värdet baserat på mängden aluminium. Det gör också galliumåtervinning lättare för återanvändning."
Kompositen kan tillverkas med lättillgängliga källor av aluminium, inklusive använd folie eller burkar, och kompositen kan lagras under långa perioder genom att täcka den med cyklohexan för att skydda den från fukt.
Även om gallium inte är rikligt och är relativt dyrt, kan det återvinnas och återanvändas flera gånger utan att förlora effektivitet, sa Singaram. Det återstår dock att se om denna process kan skalas upp för att vara praktisk för kommersiell väteproduktion. + Utforska vidare
