Водород – перспективный источник чистой энергии будущего. Однако его потенциал выйдет реализовать в полной мере только при одном условии: если учёные найдут максимально практичный, дешёвый и экологичный метод его производства. Команда химиков и материаловедов из Калифорнийского университета в Санта-Крузе разработала достаточно простой способ добычи водорода из пост-потребительских запасов алюминия и галлия при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре.
Водород – вездесущий химический элемент, который существует в каждом уголке нашей Вселенной. Тем не менее его получение в чистом виде – это достаточно энергоёмкий процесс, сопровождающийся формированием выраженного углеродного следа. Начиная от паровой конверсии метана и заканчивая электролизом, существующие методы добычи водорода с большой натяжкой позволяют отнести его к экологически чистым источникам энергии. Значительные затраты электроэнергии также сопряжены с большими финансовыми затратами, потому пока что водород обходится миру дороже, чем это было бы приемлемо для его повсеместного внедрения.
В рамках нового исследования команда учёных из Калифорнийского университета в Санта-Крузе обнаружила более доступный метод производства водорода, который не требует каких-либо энергетических затрат. Студент кафедры химии / биохимии Айзея Лопес самостоятельно экспериментировал с различными комбинациями алюминия и галлия для выработки водорода. Сам по себе алюминиевый порошок окисляется в воде очень быстро, связываясь с атомами кислорода и выделяя водород в качестве побочного продукта. Это достаточно интенсивная, но совершенно не долгоиграющая реакция, поскольку вокруг металла быстро образуется оксидная плёнка, защищающая его от контакта с водой и предупреждающая дальнейшее окисление. При контакте с галлием алюминий разрушается, окисляясь буквально на глазах, и образование оксидной плёнки происходит очень стремительно и неравномерно. Вследствие этого в толще алюминия образуются трещины, и реакция окисления продолжается.
Учёные давно рассматривают галлий в качестве катализатора реакции окисления алюминия для получения водорода, однако до сих пор не существовало идеального “рецепта” комбинации этих металлов. В ходе своих экспериментов Лопес постепенно повышал содержание галлия в алюминиево-галлиевом композите, и в какой-то момент при контакте композита с водой выделение водорода стало гораздо более интенсивным. При помощи электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа Лопес и профессор химии / биохимии Бактан Сингарам подобрали идеальные пропорции смеси алюминия и галлия: 1 к 3. Кроме того, исследователи обнаружили, что в таких пропорциях галлий не просто разрушает оксидную плёнку, но разделяет алюминий в наночастицы, не позволяя им сливаться в единое целое. Таким образом, галлий провоцирует образование дополнительной контактной поверхности, увеличивая площадь реакции окисления алюминия.
По данным исследователей, алюминиево-галлиевый композит позволил извлечь из воды примерно 90% от теоретического максимума водорода. В частности, всего 1 грамм композита позволил добыть из воды около 130 мл водорода. Для поддержания реакции не нужны особые условия, поскольку она протекает при комнатной температуре, нормальном атмосферном давлении и кислотности. Более того, этот способ позволяет производить водород из любой воды, вне зависимости от её чистоты. Другими словами, в данном процессе можно задействовать загрязнённые или сточные воды и даже морскую воду.
По словам профессора Сингарама, галлий – достаточно дорогой металл, и это оправданно его редкостью в природе и сложностью извлечения из породы. Однако важным достоинством разработанной его командой методики производства водорода является возможность повторного использования галлия в сочетании со свежей «порцией» алюминия, который можно получать из пост-потребительских отходов (алюминиевые банки, фольга и т. п.). Кроме того, учёные считают, что алюминиево-галлиевый композит может служить эффективным способом хранения водорода для транспортировки. В частности, в готовом виде эту смесь можно хранить до трёх месяцев, предварительно защитив её от влаги.
