Учёные научились добывать водород из воды при комнатной температуре

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.

Shutterstock

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.

Учёные научились добывать водород из воды при комнатной температуре
Общий принцип методики / Amberchan et al., Applied Nano Materials, 2022

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.

Эффективность производства водорода различными комбинациями алюминия и галлия / Amberchan et al., Applied Nano Materials, 2022

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.

Наночастицы алюминия / Amberchan et al., Applied Nano Materials, 2022

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.

Учёные научились добывать водород из воды при комнатной температуре
Производство водорода в идеальной комбинации алюминия и галлия 1:3 / Amberchan et al., Applied Nano Materials, 2022

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.

Учёные научились добывать водород из воды при комнатной температуре
Amberchan et al., Applied Nano Materials, 2022
Поделиться в соцсетях

Добавить комментарий