Инженеры долго признавали власть – и безграничную доступность – водорода, самого богатого элемента во вселенной. Водород происходит естественно в окружающей среде, но это почти всегда химически связывается с другими элементами – к кислороду в воде (H2O), например, или к углероду в метане (CH4).
Чтобы получить чистый водород, это должно быть отделено от одной из этих молекул. Фактически весь водород, произведенный в Соединенных Штатах, получен из топлива углеводорода, прежде всего природного газа, посредством парового преобразования, многоступенчатого процесса, в котором углеводороды реагируют с высокотемпературным паром в присутствии катализатора, чтобы произвести угарный газ, углекислый газ и молекулярный водород (H2).
Водород может тогда быть отделен от других газов до тяжелого, многоступенчатого химического процесса, но стоимость и сложность водородного производства могут быть уменьшены при помощи мембраны, чтобы сделать разделение. Большинство водородных мембран разделения, в настоящее время развиваемых использование палладий драгоценного металла, у которого есть необычно высокая водородная растворимость и permeance (что означает, что водород легко распадается в и едет через металл, в то время как другие газы исключены). Но палладий дорогой (он в настоящее время продает приблизительно за 900$ за унцию), и хрупкий.По этим причинам инженеры-химики долго искали альтернативы палладию для использования в водородных мембранах разделения, но до сих пор, никакие подходящие кандидаты не появились.
Новаторское исследование во главе с Равиндрой Даттой, преподавателем химического машиностроения в Вустерском политехническом институте (WPI), возможно, определило длинно-неуловимую альтернативу палладия: жидкие металлы.Масса металлов и сплавов – жидкость при стандартных рабочих температурах, найденных в паровых системах преобразования (приблизительно 500 градусов по Цельсию), и большинство из них намного менее дорогое, чем палладий. Кроме того, мембрана, сделанная с фильмом жидкого металла, не должна быть подвержена дефектам и трещинам, которые могут отдать непригодную мембрану палладия.
Исследование WPI, опубликованное в Журнале американского Института Инженеров-химиков, первое, чтобы продемонстрировать, что в дополнение к этим преимуществам, жидко-металлические мембраны также, кажется, значительно более эффективные, чем палладий при отделении чистого водорода от других газов, предполагая, что они могут предоставить практическое и эффективное решение проблемы поставки доступного водорода для автомобилей на топливных элементах. «Недавнее переключение на электромобили необратимо», сказал Датта. Следующий шаг после электромобилей, он и другие верят, является транспортными средствами водородного топлива – если водородная загадка поставки решена.Как работающие от аккумулятора электромобили, у автомобилей на топливных элементах есть электродвигатели.
Двигатели приведены в действие электричеством, произведенным в топливном элементе, когда водород и кислородное объединение в присутствии катализатора (единственный «ненужный» продукт – вода). В то время как они могут вынуть кислород из воздуха, автомобили должны перевезти поставку чистого водорода.Многие исследователи сосредоточились на сбивании стоимости того водорода, делая лучше и более тонких мембран палладия. Некоторые самые продвинутые мембраны были произведены преподавателем химического машиностроения WPI на пенсии И Хуа «Эдом» Ма, который, со значительным финансированием из промышленности и американского Министерства энергетики, вел процесс для связывающего палладия к пористой стальной трубе, приводящей к слоям палладия, столь же тонким как 5 – 10 микронов.
Создание слоя палладия тонкие увеличения поток мембраны или уровень, в который чистый водород перемещается через него. «Но если мембрана слишком тонкая», сказал Датта, «это становится хрупким, или это развивает дефекты. И мембраны должны быть без дефекта.
Если они развивают даже волосную трещину или микропору, Вы должны начать».Шесть лет назад Датта и его студенты начали задаваться вопросом, могли ли бы жидкие металлы преодолеть некоторые ограничения палладия – особенно его стоимость и хрупкость – в то время как также, потенциально, предложив превосходящую водородную растворимость и permeance. «Помимо химического сродства, permeance зависит от того, насколько открытый металлическая кристаллическая структура», сказал он. «У жидких металлов есть больше пространства между атомами, чем твердые металлы, таким образом, их растворимость и diffusability должны быть выше».После того, как литературный обзор не показал предыдущего исследования в области этой темы, Датта успешно запросил премию в размере $1 миллиона от американского Министерства энергетики, чтобы изучить выполнимость использования жидких металлов для водородного разделения. он и его команда, аспиранты Пэй-Шань Янь и Николас Дево (Янь заработал для ее доктора философии в 2016; Дево получил его в мае), решенный, чтобы начать их исследование с галлия, нетоксичного металла, который является жидкостью при комнатной температуре.Они провели фундаментальную работу, которая показала, что галлий был превосходным кандидатом, поскольку это продемонстрировало значительно более высокий водород permeance, чем палладий при повышенных температурах.
На самом деле лабораторные исследования и теоретическое моделирование, проводимое командой, показали, что у многих металлов, которые являются жидкостью при более высоких температурах, может быть лучший водород permeance, чем палладий.В то время как жидкий галлий показал, что большое обещание как материал для водородного разделения, создавая функционирующую мембрану с металлом оказалось сложным, сказал Датта. «Оказывается, что жидкие металлы очень реактивные», сказал он. «Вы не можете поместить галлий в пористую металлическую поддержку, как профессор Ма сделал с палладием, с тех пор при более высоких температурах это быстро формирует интерметаллические соединения, которые убивают проходимость». Команда обнаружила, что металл будет также реагировать со многими керамическими материалами, обычно используемыми в качестве поддержек в мембранах палладия.
Посредством моделирования и экспериментирования, они составили список материалов, включая основанные на углероде материалы как графит и кремниевый карбид, которые химически не реагируют с жидким галлием, но которые также wettable жидким металлом, означая, что металл распространится, чтобы сформировать тонкую пленку на материале поддержки.Зная, что поверхностное натяжение жидких металлов, вероятно, изменится в ответ на изменения в температуре и составе газов, они были выставлены, потенциально произведя утечки, они решили вставить металл между двумя слоями материала поддержки, чтобы создать зажатую жидко-металлическую мембрану или SLiMM. Мембрана, состоящая из тонкого (две десятых части миллиметра) слой жидкого галлия между слоем кремниевого карбида и слоем графита, была построена в лаборатории и проверена на стабильность и водород permeance.
Мембрана была выставлена водородной атмосфере в течение двух недель при температурах в пределах от 480 – 550 градусов по Цельсию. Результаты показали, что жидкий фильм галлия был до 35 раз более водопроницаемым к водороду, чем сопоставимый слой палладия и что распространение водорода через зажатую мембрану было значительно выше, чем для типичной мембраны палладия.
Тест также показал, что мембраны были отборными, позволив просто водороду проходить.«Эти тесты подтвердили наши гипотезы, что жидкие металлы могут быть подходящим кандидатом на водородные мембраны разделения», сказал Датта, «предположив, что эти материалы могли быть долгожданной заменой для палладия.
Есть масса вопросов, на которые все еще нужно ответить, включая то, могут ли маленькие мембраны, которые мы построили в лаборатории, быть расширены и будут ли мембраны стойкими к веществам, существующим в преобразованных газах (включая угарный газ и серу), которые, как известно, отравляют мембраны палладия.«Но демонстрируя выполнимость зажатых жидко-металлических мембран, мы открыли дверь в очень многообещающую новую область водородного энергетического исследования», добавил Датта, «для есть много других металлов и сплавов вне галлия, которые являются жидкостью на уровне 500 градусов по Цельсию. Это – обширная открытая область, с точки зрения того, какие материалы Вы могли бы использовать.
Кроме того, это ставит массу интересных научных вопросов».