1g铝合金粉末可制得1.30L氢气！制氢新方法将完成无温室气
氢动力面对的首要应战之一是清洁出产，但一起也要经济实惠。曾经有研讨机构发现，制氢进程中会发生很多温室气体排放，以煤制氢为例，制备一公斤氢气会排放大约10公斤二氧化碳。而选用电解水制备相同数量的氢则要耗费48度电，按一度电发生0.785千克二氧化碳核算，电解水制备1公斤氢气约发生37.68公斤二氧化碳排放，低碳制氢现已成为职业开展的症结所在。
近来，美国麻省理工学院科研人员研讨出一种新的制氢办法，运用铝和水出产的新式氢燃料。经过运用铝和水来发生氢气，整个进程不会排放任何温室气体。
选用铝和水相结合的氢燃料制氢办法可使氢气更具有用性。麻省理工学院机械工程教授道格拉斯·P·哈特说：“从根本上说，铝能够成为一种贮存氢的机制，并且是一种十分有用的机制。运用铝作为咱们的质料，咱们能够变相的‘存储’氢，其密度是咱们以紧缩气体的办法存储的10倍。”
铝+水制氢要求高
尽管理论上能够完成铝+水制氢，但在反响进程中对其要求是十分高的。
首要，要保证金属铝外表是洁净的，这样它才干与水发生反响。在这方面，首要有必要选用一种有用的办法来改性铝的氧化层。然后，在反响发生时，还有必要有一种避免它从头构成的办法。
其次，与铝有关的问题是，这种金属的挖掘和出产进程是动力密集型的。因而，任何运用这种金属的可行办法都需求会集运用各种来历的废铝。不幸的是，废金属很难作为质料，由于它们通常是一种含有其他元素的合金，以满意其开端用处。
Laureen Meroueh 博士
“假如咱们要在实践运用中运用废铝发生氢气，咱们需求能够更好地猜测咱们将从铝水反响中调查到的氢气发生特性，”Laureen Meroueh博士说。
由于反响的根本进程尚不清楚，因而很难猜测从废铝中构成氢的速率和体积，其间或许包含不同类型和浓度的合金元素。因而，Hart、Meroueh和麻省理工学院资料科学与工程系教授Thomas W. Eagar决议以体系的办法研讨这些合金元素对铝水反响的影响，以及避免构成氧化层的技能。
为了预备，他们让Novelis Inc.的专家制作了纯铝和特定的铝合金样品，这些样品由商业纯铝与0.6%的硅（按分量计）、1%的镁或两者混合制成——这是典型的废铝成分。麻省理工学院的研讨人员运用这些样品进行了一系列测验，以探究铝水反响的不同方面。
处理铝材成为要害
由于整个反响进程关于铝材的要求十分高，因而，处理好铝材成为重要的进程。
第一步是展现一种有用的办法来穿透铝金属外表构成的氧化层。固体铝由细小的颗粒组成，这些颗粒与鸿沟不完全对齐。为了最大极限地前进氢气产值，研讨人员需求避免在一切这些内部晶粒外表上构成氧化层。
研讨小组现已尝试了各种办法来坚持铝颗粒“活化”以与水反响。有些人将废料样品粉碎成十分小的颗粒，以至于氧化层无法粘附。可是铝粉是风险的，由于它们会与湿气发生反响并爆破。另一种办法是磨碎废料样品并增加液态金属以避免氧化物堆积。但研磨是一个贵重且耗能的进程。
对Hart、Meroueh和Eagar而言，最有出路的办法（由Jonathan Slocum在Hart的研讨小组作业时初次引进）触及经过在顶部涂上液态金属来预处理固体铝，并让它们浸透到晶界。
为了承认这种办法的有用性，研讨人员需求承认液态金属会抵达内部晶粒外表，不管是否存在合金元素。他们有必要承认液态金属需求多长期才干掩盖纯铝及其合金的一切颗粒。
试验反响示意图
他们首要将两种金属——镓和铟——按特定份额混合，构成一种“共晶”混合物；也就是说，在室温下会坚持液态的混合物。他们在样品上涂上共晶，并答应其浸透48到96小时。然后他们将样品暴露在水中并监测氢气产值和流速250分钟。48小时后，他们还拍照了高倍扫描电子显微镜 (SEM) 图画，以便调查相邻铝晶粒之间的鸿沟。
依据氢产率丈量值和SEM图画，麻省理工学院团队得出结论，镓-铟共晶物的确会天然浸透并抵达内部晶粒外表。可是，浸透的速度和程度因合金而异。掺硅铝样品的浸透速率与纯铝样品相同，但在掺镁样品中较慢。
或许最风趣的是掺杂硅和镁的样品的成果——这是一种经常在收回资料中发现的铝合金。硅和镁化学键合构成硅化镁，它作为固体堆积物呈现在内部晶粒外表。Meroueh假定，当废铝中一起存在硅和镁时，这些堆积物能够充任阻止镓-铟共晶活动的屏障。
试验和图画证明了她的假定：固体堆积物的确起到了屏障的效果，预处理48小时的样品图画显现浸透不完全。明显，长期的预处理关于最大极限地前进来自含硅和镁的铝废料的氢气产值至关重要。
Meroueh列举了他们运用的进程的几个优点。“你不需求为镓-铟共晶物施加任何能量就能够在铝上发挥它的法力并去除氧化层，”她说。“一旦你激活了你的铝，你就能够把它放在水中，它会发生氢气——不需求能量输入。”更好的是，共晶不会与铝发生化学反响。“它只是在颗粒之间移动，”她说。“在这个进程结束时，我能够收回我投入的一切镓和铟并再次运用它们”——这是一个有价值的特征，由于镓和铟价格贵重且供给相对缺少。
增加硅将促进氢气生成
研讨人员接下来研讨了合金元素的存在怎么影响氢气的发生。他们测验了经过共晶处理96小时的样品；到那时，一切样品的氢气产值和流速都已趋于平稳。
与纯铝比较，0.6%硅的存在使给定分量铝的产氢率增加了20%——即便含硅样品的铝含量低于纯铝样品。比较之下，1%镁的存在发生的氢要少得多，一起增加硅和镁会前进产率，但没有到达纯铝的水平。
硅的存在也大大加速了反响速度，在流速中发生了更高的峰值，但缩短了氢气输出的持续时刻。镁的存在发生了较低的流速，但答应氢气输出跟着时刻的推移坚持安稳。再一次，含有两种合金元素的铝发生氢的流速介于掺镁和纯铝之间。
这些成果为怎么调整氢气输出以匹配耗氢设备的运转需求供给了有用辅导。假如开端资料是商业纯铝，则增加少数精心挑选的合金元素能够调整氢气产值和流速。假如开端资料是废铝，细心挑选质料或许是要害。关于高而时刻短的氢气迸发，来自轿车垃圾场的含硅铝片能够很好地作业。关于较低但较长的流量，来自已撤除建筑物结构的含镁废料或许更好。关于介于两者之间的成果，含有硅和镁的铝应该效果很好；这种资料能够从作废的轿车和摩托车、游艇、自行车车架，乃至智能手机壳中很多取得。
Meroueh指出，还能够结合不同的铝合金废料来调整成果。“假如我有一个仅含有硅的活性铝样品和另一个仅含有镁的样品，我能够将它们都放入盛有水的容器中，让它们发生反响，”她说。“所以我从硅中取得了氢气产值的快速上升，然后镁接收并具有安稳的输出。”
改动尺度带来意想不到的成果
影响氢气产值的另一种有用办法或许是减小铝晶粒的尺度——这种调整能够增加可用于发生反响的总外表积。
为了研讨这种办法，研讨人员要求他们的供给商供给特别定制的样品。运用规范工业程序，Novelis的专家首要将每个样品送入两个滚筒，从顶部和底部揉捏，使内部颗粒变平。然后他们加热每个样品，直到长而扁平的颗粒从头组织并缩小到方针尺度。
在一系列精心规划的试验中，麻省理工学院团队发现，在不相同品中，减小晶粒尺度能够不同程度地前进功率并缩短反响持续时刻。相同，特定合金元素的存在对成果有着严重影响。
在整个试验进程中，研讨人员遇到了一些意想不到的成果。例如，规范腐蚀理论猜测纯铝比掺硅铝发生更多的氢——这与他们在试验中调查到的相反。
为了说明潜在的化学反响，Hart、Meroueh和Eagar研讨了氢“通量”，即铝外表每平方厘米随时刻发生的氢气量，包含内部晶粒。他们查看了四种成分中每一种的三种晶粒尺度，并收集了数千个丈量氢通量的数据点。
成果标明，减小晶粒尺度具有明显效果。它使掺杂硅的铝的峰值氢通量增加了100倍，而其他三种成分的峰值氢通量增加了10倍。关于纯铝和含硅铝，减小晶粒尺度也会削减峰值通量之前的推迟并增加之后的下降速率。关于含镁铝，减小晶粒尺度会导致峰值氢通量增加，并导致氢输出速率的下降稍微加速。在一起存在硅和镁的情况下，当不操控晶粒尺度时，跟着时刻的推移，氢通量类似于含镁铝的氢通量。当晶粒尺度减小时，氢输出特性开端类似于在含硅铝中调查到的行为。
研讨人员强调了对所触及的潜在化学反响进行更好的根本原理了解的优点。除了辅导有用体系的规划之外，它还能够协助他们找到预处理混合物中贵重的铟的替代品。其他作业标明，镓会天然地浸透经过铝的晶界。“在这一点上，咱们知道共晶中的铟很重要，但咱们并不实在了解它的效果，所以咱们不知道怎么替换它，”Hart说。
可是Hart、Meroueh和Eagar现已展现了两种调理氢反响速率的有用办法：向铝中增加某些元素和操控内部铝晶粒的巨细。结合起来，这些办法能够发生明显的成果。“假如你从晶粒尺度最大的含镁铝到晶粒尺度最小的含硅铝，你会得到两个数量级的氢反响速率，”Meroueh说。“假如你企图规划一个运用这种反响的实在体系，那将是巨大的前进。”
实践上我国也有专家学者研讨使用铝制氢。西安交通大学金属资料强度国家重点试验室教授江峰介绍说：“常温常压下，1g铝合金粉末可制得1.30L氢气，占到理论产氢量的95%；反响产品是带有金属催化剂的含水氧化铝。制氢，用铝合金粉末加水做，没有任何问题，功率还挺高的。”
尽管如此，想要将该技能运用在车辆交通范畴仍然需求很长期，由于想要在车上使用该技能需求处理大规划反响发生的热能开释问题，以及反响的安稳性问题，由于超越必定规划的反响或许会导致失控，引发事端等风险。不过铝+水制氢给人们在制氢范畴探究了一条低碳开展的新路。
资料来历：全球氢能网、汹涌新闻、新浪新闻
