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由麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的一位機械工程教授開發的新工藝出爐。隨著低烴燃料的生產對全球脫碳努力變得越來越重要，一種利用鋁和水生產氫的新方法已經被開發出來。
一個有希望的反應
氫能源的主要挑戰之一是清潔生產，但它也必須是經濟的。一種用鋁和水生產的新型氫燃料是能源的希望。鋁在室溫下與水發生反應，不構成重大技術挑戰。得到結果是氫和氫氧化鋁。水和鋁在我們的日常生活中都被廣泛使用，但這種反應并不總是發生，因為原來的金屬鋁自然地覆蓋了一層氧化鋁。這種氧化層防止金屬本身直接接觸到水。
通過使用鋁和水來產生氫氣，整個過程不會排放任何溫室氣體。此外，像這樣的技術可以幫助克服任何有水的地方的交通挑戰。任何已經有水的地方只需要引入鋁，就可以在現場產生反應生成氫氣。
采用鋁與水相結合的氫燃料制氫方法，可以使氫更實用。麻省理工學院(MIT)機械工程教授道格拉斯·p·哈特(Douglas P. Hart)說:“基本上，鋁可以作為一種儲存氫的機制，而且是一種非常有效的機制。”鋁為原料，以偽裝的形式‘存儲’氫，其密度是我們作為壓縮氣體存儲的10倍。”
到目前為止，有兩個問題阻礙了將鋁用于這一目的：
首先，確保金屬鋁的表面是干凈的，這樣它就可以與水反應。為此，必須采用一種實用的方法對鋁的氧化層進行改性。然后，當反應發生時，一定有辦法阻止它重新生成。
鋁的第二個問題是，開采和生產鋁的過程是能源密集型的。任何使用這種金屬的可行方法都需要集中使用來自各種來源的廢鋁。廢金屬很難作為原材料使用，它們通常是一種合金，含有其他元素，以適應其最初的用途。
Laureen Meroueh博士
去年獲得機械工程博士學位的Laureen Meroueh博士說:“如果我們要在實際應用中使用廢鋁來生產氫，我們需要能夠更好地預測鋁—水反應的產氫特性。”
鋁材預處理
第一步是證明一種有效的方法來穿透鋁表面形成的氧化層。固體鋁由微小的顆粒組成，這些顆粒不能與邊界完全對齊。
該團隊嘗試了各種方法來保持鋁顆粒與水反應的“活性”。有些人把廢料樣品磨成微粒，小到氧化物層不能附著在上面。但鋁粉是危險的，因為它們會與水分發生反應并爆炸。另一種方法是將廢樣品磨碎并加入液態金屬以防止氧化沉積。但研磨是一項昂貴且能源密集的過程。
對于Hart、Meroueh和Eagar來說，最有前途的方法(最初由Jonathan Slocum在Hart的研究小組工作時提出)是通過在鋁表面涂上液態金屬并使其滲透到晶界來對固體鋁進行預處理。
需要確認，無論合金元素是否存在，液態金屬都能到達內部晶粒的表面。他們必須確定液態金屬需要多長時間才能覆蓋住純鋁及其合金的所有顆粒。
他們首先將兩種金屬——鎵和銦——按特定比例混合，形成一種“共晶”混合物。也就是說，這種混合物在室溫下仍然是液體。他們在樣品上涂上共晶，讓它滲透48到96小時。然后，他們將樣本暴露在水中，并監測了250分鐘的氫氣生產和流速。48小時后，他們還用高倍掃描電子顯微鏡(SEM)觀察相鄰鋁晶粒之間的邊界。
基于氫產率測量和SEM圖像，麻省理工學院的研究小組得出結論，鎵銦共晶確實自然地穿透并到達內部晶粒的表面。然而，不同合金的滲透速度和程度各不相同。硅摻雜鋁的滲透速率與純鋁的滲透速率相同，而鎂摻雜鋁的滲透速率較慢。
也許最有趣的是摻雜了硅和鎂樣品的結果，鎂是一種經常在回收材料中發現的鋁合金。硅和鎂通過化學方式結合形成鎂硅化物，鎂硅化物以固體沉淀物的形式沉積在內部晶粒的表面。Meroueh假設，當廢鋁中同時存在硅和鎂時，這些沉積物可以作為鎵銦共晶流動的屏障。
實驗和圖像證實了她的假設:固體沉積物確實起到了屏障的作用，經過48小時預處理的樣品圖像顯示出了不完全的滲透。顯然，延長預處理時間對于從含硅和鎂的鋁廢料中最大限度地生產氫氣至關重要。
Meroueh列舉了他們使用的方法的幾個好處。“你不需要對鎵-銦共晶材料施加任何能量，就可以在鋁上發揮神奇的作用，并去除氧化層，”她說。“一旦你激活鋁，你可以把它放在水里，它就會產生氫——不需要能量輸入。”更好的是，共晶不會與鋁發生化學反應。“它只是在粒子之間移動，”她說。“在這個過程的最后，我可以回收所有放入的鎵和銦，并再次使用它們”——這是一個有價值的功能，因為鎵和銦價格昂貴，而且供應相對短缺。
合金元素對產氫的影響
然后，研究人員觀察了合金元素的存在如何影響氫的產生。他們測試了共晶處理96小時后的樣品。到那時，所有樣品的氫氣產量和流速已經趨于穩定。
與純鋁相比，在給定重量的鋁中，0.6%的硅的存在使其產氫率提高了20%——即使含硅樣品的鋁含量比純鋁樣品少。相比之下，1%的鎂產生的氫要少得多，同時添加硅和鎂提高了產率，但沒有達到純鋁的水平。
硅的存在也大大加快了反應速度，產生了更高的流量峰值，但縮短了氫輸出的持續時間。鎂的存在產生較低的流量，但允許氫氣輸出隨時間保持穩定。同樣，兩種合金元素的鋁以摻雜鎂和純鋁之間的流動速度產生氫。
對于高強度、短時間的氫爆發，汽車廢料場的含硅鋁板就很好。對于較低但較長的流量，拆卸建筑物框架中的含鎂廢物可能更好。介于兩者之間，鋁、硅和鎂應該效果良好。在廢棄的汽車、摩托車、游艇、自行車架，甚至智能手機外殼中，都能找到大量這種材料。
Meroueh指出，通過組合不同的鋁廢料，也可以調整結果。“如果我有一個只含硅的活性鋁樣品和另一個只含鎂的活性鋁樣品，我可以把它們都放在一個盛水的容器中，讓它們發生反應，”她說。“所以我從硅中獲得了氫氣產量的快速增長，然后鎂取代了它，產量穩定。”
這種材料可以從報廢的汽車和摩托車、游艇、自行車車架，甚至智能手機殼中大量獲得
另一個調整機會：減小晶粒尺寸
另一種影響氫氣生產的實際方法可能是減小鋁顆粒的尺寸——這一調整將增加可用于反應的總表面積。
研究人員要求他們的供應商提供特別定制的樣品。采用標準的工業程序，Novelis的專家首先將每個樣品送入兩個滾輪，從頂部和底部擠壓，使內部顆粒變平。然后他們對每個樣本進行加熱，直到長而扁平的粒子重新組合并縮小到目標尺寸。
在不同的樣品中，減小晶粒尺寸在不同程度上提高了效率，縮短了反應持續時間。同樣，特定合金元素的存在對結果有重大影響。
意想不到的結果
在整個實驗過程中，有了一些意想不到的結果。例如，標準腐蝕理論預測純鋁將比摻硅鋁產生更多的氫，這與他們在實驗中觀察到的情況相反。
結果表明，減小晶粒度是有效的。使摻硅鋁的氫通量峰值提高了100倍，其他三種組分的氫通量峰值提高了10倍。對于含鋁純鋁和含硅純鋁，晶粒尺寸的減小也降低了峰前延遲，增加了隨后的下降速率。對于Mg-Al來說，晶粒尺寸的減小導致氫通量峰值增大，氫輸出速率的減小略快。在si和Mg同時存在的情況下，氫通量隨時間的變化與不控制晶粒尺寸的Mg -al相似。隨著晶粒尺寸的減小，氫輸出特性開始類似于在含硅鋁中觀察到的特性。
Meroueh說:“如果你從含有鎂的最大晶粒尺寸的鋁到含有硅的最小晶粒尺寸的鋁，你會得到兩個數量級的氫反應速率。“如果你試圖設計一個使用這種反應的真實系統，那將是一個巨大的進步。”
