MIT利用铝-水反应制氢 可用于氢燃料电池车等领域

随着世界逐渐摆脱化石燃料，许多研究人员正在研究清洁的氢燃料能否在交通、工业、建筑和发电方面发挥更大的作用。因为氢燃料可用于燃料电池电瓶车、供暖锅炉、发电用燃气轮机、储存可再生能源的系统等。

然而，尽管使用氢气不会产生碳排放，但是氢气的生产通常会产生碳排放。目前，几乎所有的氢气都是由基于化石燃料的工艺生产的，这些工艺占全球温室气体排放量的2%以上。此外，通常需要在一个地方生产氢气，在另一个地方消耗氢气，这也给物流带来了挑战。

麻省理工学院研究人员(来源:麻省理工学院)

充满希望的反应

据国外媒体报道，美国麻省理工学院发现了另一种制造氢气的选择:铝和水的反应。金属铝在常温下很容易与水反应生成氢氧化铝和氢气，但这种反应发生的概率不是很高，因为会有一层氧化铝自然覆盖在金属原料上，防止其与水直接接触。

利用铝水反应产生氢气，不会产生任何温室气体排放，有望解决任何有水的地方的交通问题，只需移动铝，让它在现场与水反应即可。麻省理工学院机械工程系教授道格拉斯·p·哈特(Douglas P. Hart)说:“从根本上说，铝已经成为一种储存氢的机制，而且是一种非常有效的机制。铝作为储存氢气的资源，其密度是储存在压缩气体中的氢气的10倍。”

然而，仍然有两个问题阻止铝成为安全和经济的制氢源。第一个问题是保证铝表面干净，容易与水发生反应。为此，实际系统需要包括一种方法，它可以首先改变氧化层，然后在反应发生时防止它再次形成氧化层。

第二个问题是，开采和生产纯铝是一个能源密集型的过程，因此实用的方法需要使用各种废铝。但废铝并不是一种很好的原料，通常以合金的形式出现，也就是说，它含有其他元素，添加这些元素是为了改变铝的性质或特性，用于不同的用途。比如加镁可以提高强度和耐腐蚀性能，加硅可以降低熔点，两者都加一点点可以制成强度和耐腐蚀性能中等的合金。

尽管对铝作为制氢的来源有很多研究，但是仍然有两个关键问题:1 .防止铝表面出现氧化层的最好方法是什么？2.废铝中的合金对产氢总量和速度有什么影响？

由于目前还不清楚反应的基本步骤，因此很难预测废铝产生氢气的速率和总量，因为废铝中可能含有不同种类和浓度的合金元素。因此，Hart，Meroueh和麻省理工学院材料科学与工程系材料工程和工程管理教授Thomas W. Eagar决定以系统的方式研究这种合金元素对铝-水反应的影响，并研究防止氧化层形成干扰的有前途的技术。

因此，研究人员请诺贝利思的专家制作了纯铝和特定铝合金的样品，这些样品是由商业纯铝结合0.6%的硅(按重量计)、1%的镁或两者兼有制成的，而这些成分是各种废铝中的常见成分。利用这样的样本，麻省理工学院的研究人员进行了一系列测试，探索铝水反应的各个方面。

预处理铝

第一步，证明有一种有效的方法可以穿透铝在空气中形成的氧化层。固态铝由微小颗粒组成，这些颗粒堆积在一起，偶尔会有边界，无法完美排列。为了最大限度地生产氢气，研究人员需要防止这种颗粒的内表面形成氧化层。

研究小组尝试了各种方法来保持铝颗粒与水反应的活性。一些将废铝样品粉碎成颗粒……因此氧化层不能附着在它们上面。但是铝粉非常危险，遇湿反应会爆炸。另一种方法是研磨废铝样品并添加液态金属以防止氧化物沉积，但研磨本身是一种昂贵且耗能的过程。

对于研究人员来说，最有前景的方法是由Hart研究组前工作人员Jonathan Slocum ScD '18首先提出的，即通过在表面涂覆液态金属对固态铝进行预处理，液态金属渗透到晶界中。

为了确定这种方法是否有效，研究人员需要确认液态金属是否存在合金元素才能到达晶粒内部，还需要确定液态金属在纯铝和合金上包覆所有颗粒需要多长时间。

研究人员首先将镓和铟按照一定的比例结合在一起，形成“共晶”混合物，即在室温下可以保持液态的混合物。然后，研究人员将共晶混合物涂在样品上，等待48到96小时，让它渗透到样品中。之后，研究人员将样品暴露在水中，花了250分钟监测氢气产量(形成的总量)和流速。48小时后，研究人员还拍摄了高倍扫描电子显微镜(SEM)图像，以观察相邻铝晶粒之间的边界。

根据测得的产氢量和SEM图像，麻省理工学院的研究小组得出结论:镓铟共晶确实可以自然穿透并到达内部晶粒的表面。然而，渗透的速度和程度将随不同的合金而变化。掺硅铝试样的浸渗速率与纯铝相同，但掺镁铝试样的浸渗速率较慢。

也许最有趣的是铝样品掺杂硅和镁的结果，这是一种经常在回收中发现的铝合金。硅和镁通过化学键结合形成硅化镁，以固体沉淀的形式沉积在内部晶粒表面。研究人员假设，当硅和镁同时存在于废铝中时，这种沉积物可以作为阻止镓铟共晶混合物流动的屏障。

实验和图像也证实了固体沉积物确实起到屏障作用的假设，并且预处理48小时的样品的图像显示渗透没有完成。显然，长期的预处理对于含硅和镁的废铝制氢是非常重要的。

合金元素对制氢的影响

接下来，研究人员研究了合金元素如何影响氢气的产生。他们对用低共熔混合物处理的样品进行了96小时的测试，发现所有样品的氢气产量和流速都已经稳定。

与纯铝相比，当硅含量为0.6%时，给定重量的铝的氢产率增加20%，即使含硅的铝样品的铝含量小于纯铝样品。相比之下，镁含量为1%的铝样品产生的氢气少得多。添加了硅和镁的铝样品虽然提高了产氢量，但没有达到纯铝的水平。

硅也大大加快了反应速度，导致更高的峰值流速，但缩短了连续输出氢气的时间。而镁则实现了较低的流量，但可以使氢气随着时间稳定输出。另外，含有两种合金元素的铝的流量介于掺镁铝和纯铝之间。

实验结果为如何调整产氢量以适应耗氢装置的运行提供了实践指导。如果起始材料是商业纯铝，则可以通过添加少量精心选择的合金元素来定制氢气的产生和流量。如果起始原料是废铝，谨慎选择来源是非常重要的。如果要产生短时高强度的氢气，汽车废料场的含硅铝片可以起到很好的作用。如果需要时间更长但流量更低的氢气，可能用从拆除的建筑框架中取出的含镁废铝更好。如果需要介于两者之间，同时含有硅和镁的铝，效果非常好；这种材料在废弃的汽车、摩托车、游艇、自行车架甚至智能手机外壳上随处可见。

调整的另一个机会是减小晶粒尺寸。

另一个影响制氢的实用方法是减小铝颗粒的尺寸，这种变化会增加反应发生的总表面积。

为了研究这种方法，研究人员要求供应商提供特别定制的样品。诺贝利专家采用标准的工业流程。首先，每个样品通过两个滚筒，从顶部和底部挤压，使内部颗粒变平。然后，再次加热每个样品，以重组长而平的颗粒，并将其减小到目标尺寸。

在一系列精心设计的实验中，麻省理工学院的团队发现，在不同的样品中，减小晶粒尺寸可以提高效率，缩短反应持续时间。同样，特定的合金元素也对结果有很大的影响。

需要的是:一个可以解释观察结果的修正理论。

在整个实验过程中，研究人员遇到了一些意想不到的结果。例如，标准腐蚀理论预测纯铝将比掺硅铝产生更多的氢气，这与实验中观察到的情况相反。

为了弄清潜在的化学反应，研究人员研究了氢气“通量”，即铝表面(包括内部颗粒)每平方厘米产生的氢气总量随时间的变化。研究人员检查了四种成分的三种粒度，并收集了数千个数据点来测量氢通量。

结果表明，减小晶粒尺寸具有显著的效果。它可以将掺硅铝的峰值氢通量提高100倍，将含有其他三种成分的铝的峰值氢通量提高10倍。对于纯铝和含硅铝，减小晶粒尺寸也会减缓峰值通量的延迟，增加后续的下降速率。在含镁的铝中，减小晶粒尺寸将导致峰值氢通量的增加和后期氢输出速率的略微降低。在同时含有镁和硅的铝中，氢通量随时间的变化类似于不控制晶粒尺寸的含镁的铝。当晶粒尺寸减小时，氢输出的特性开始类似于含硅铝的特性。这个结果出乎意料，因为当硅和镁共存时，它们会反应生成硅化镁，从而产生一种新型的具有自身特点的铝合金。

研究人员表示，对潜在的化学反应有更好的基本了解是有益的。除了指导实际系统的设计，还可以帮助研究人员在预处理混合物中寻找昂贵的铟替代品。其他研究表明，镓会自然渗入铝晶界。

但研究人员已经展示了两种调节氢反应速率的实用方法:向铝中添加某些元素，以及控制内部铝颗粒的大小。这两种方法的结合可以产生显著的效果。随着世界逐渐摆脱化石燃料，许多研究人员正在研究清洁的氢燃料能否在交通、工业、建筑和发电方面发挥更大的作用。因为氢燃料可用于燃料电池电瓶车、供暖锅炉、发电用燃气轮机、储存可再生能源的系统等。

然而，尽管使用氢气不会产生碳排放，但是氢气的生产通常会产生碳排放。目前，几乎所有的氢气都是由基于化石燃料的工艺生产的，这些工艺占全球温室气体排放量的2%以上。此外，通常需要在一个地方生产氢气，在另一个地方消耗氢气，这也给物流带来了挑战。

麻省理工学院研究人员(来源:麻省理工学院)

充满希望的反应

据国外媒体报道，美国麻省理工学院发现了另一种制造氢气的选择:铝和水的反应。金属铝在常温下很容易与水反应生成氢氧化铝和氢气，但这种反应发生的概率不是很高，因为会有一层氧化铝自然覆盖在金属原料上，防止其与水直接接触。

利用铝水反应制氢不会产生任何温室气体排放，有望解决环境污染问题ic问题哪里有水，就移动铝，让它和现场的水反应。麻省理工学院机械工程系教授道格拉斯·p·哈特(Douglas P. Hart)说:“从根本上说，铝已经成为一种储存氢的机制，而且是一种非常有效的机制。铝作为储存氢气的资源，其密度是储存在压缩气体中的氢气的10倍。”

然而，仍然有两个问题阻止铝成为安全和经济的制氢源。第一个问题是保证铝表面干净，容易与水发生反应。为此，实际系统需要包括一种方法，它可以首先改变氧化层，然后在反应发生时防止它再次形成氧化层。

第二个问题是，开采和生产纯铝是一个能源密集型的过程，因此实用的方法需要使用各种废铝。但废铝并不是一种很好的原料，通常以合金的形式出现，也就是说，它含有其他元素，添加这些元素是为了改变铝的性质或特性，用于不同的用途。比如加镁可以提高强度和耐腐蚀性能，加硅可以降低熔点，两者都加一点点可以制成强度和耐腐蚀性能中等的合金。

尽管对铝作为制氢的来源有很多研究，但是仍然有两个关键问题:1 .防止铝表面出现氧化层的最好方法是什么？2.废铝中的合金对产氢总量和速度有什么影响？

由于目前还不清楚反应的基本步骤，因此很难预测废铝产生氢气的速率和总量，因为废铝中可能含有不同种类和浓度的合金元素。因此，Hart，Meroueh和麻省理工学院材料科学与工程系材料工程和工程管理教授Thomas W. Eagar决定以系统的方式研究这种合金元素对铝-水反应的影响，并研究防止氧化层形成干扰的有前途的技术。

因此，研究人员请诺贝利思的专家制作了纯铝和特定铝合金的样品，这些样品是由商业纯铝结合0.6%的硅(按重量计)、1%的镁或两者兼有制成的，而这些成分是各种废铝中的常见成分。利用这样的样本，麻省理工学院的研究人员进行了一系列测试，探索铝水反应的各个方面。

预处理铝

第一步，证明有一种有效的方法可以穿透铝在空气中形成的氧化层。固态铝由微小颗粒组成，这些颗粒堆积在一起，偶尔会有边界，无法完美排列。为了最大限度地生产氢气，研究人员需要防止这种颗粒的内表面形成氧化层。

研究小组尝试了各种方法来保持铝颗粒与水反应的活性。有些将废铝样品压碎成颗粒，这样氧化层就不会附着在上面。但是铝粉非常危险，遇湿反应会爆炸。另一种方法是研磨废铝样品并添加液态金属以防止氧化物沉积，但研磨本身是一种昂贵且耗能的过程。

对于研究人员来说，最有前景的方法是由Hart研究组前工作人员Jonathan Slocum ScD '18首先提出的，即通过在表面涂覆液态金属对固态铝进行预处理，液态金属渗透到晶界中。

为了确定这种方法是否有效，研究人员需要确认液态金属是否存在合金元素才能到达晶粒内部，还需要确定液态金属在纯铝和合金上包覆所有颗粒需要多长时间。

研究人员首先将镓和铟按照一定的比例结合在一起，形成“共晶”混合物，即在室温下可以保持液态的混合物。然后，研究人员将共晶混合物涂在样品上，等待48到96小时，让它渗透到样品中。之后，研究人员将样品暴露在水中，花了250分钟监测氢气产量(形成的总量)和流速。48小时后，研究人员还拍摄了高倍扫描电子显微镜(SEM)图像，以观察相邻铝晶粒之间的边界。

根据测得的产氢量和……SEM图像，麻省理工学院的研究团队得出结论，镓铟共晶确实可以自然穿透，到达内部晶粒表面。然而，渗透的速度和程度将随不同的合金而变化。掺硅铝试样的浸渗速率与纯铝相同，但掺镁铝试样的浸渗速率较慢。

也许最有趣的是铝样品掺杂硅和镁的结果，这是一种经常在回收中发现的铝合金。硅和镁通过化学键结合形成硅化镁，以固体沉淀的形式沉积在内部晶粒表面。研究人员假设，当硅和镁同时存在于废铝中时，这种沉积物可以作为阻止镓铟共晶混合物流动的屏障。

实验和图像也证实了固体沉积物确实起到屏障作用的假设，并且预处理48小时的样品的图像显示渗透没有完成。显然，长期的预处理对于含硅和镁的废铝制氢是非常重要的。

合金元素对制氢的影响

接下来，研究人员研究了合金元素如何影响氢气的产生。他们对用低共熔混合物处理的样品进行了96小时的测试，发现所有样品的氢气产量和流速都已经稳定。

与纯铝相比，当硅含量为0.6%时，给定重量的铝的氢产率增加20%，即使含硅的铝样品的铝含量小于纯铝样品。相比之下，镁含量为1%的铝样品产生的氢气少得多。添加了硅和镁的铝样品虽然提高了产氢量，但没有达到纯铝的水平。

硅也大大加快了反应速度，导致更高的峰值流速，但缩短了连续输出氢气的时间。而镁则实现了较低的流量，但可以使氢气随时间稳定输出。另外，含有两种合金元素的铝的流量介于掺镁铝和纯铝之间。

实验结果为如何调整产氢量以适应耗氢装置的运行提供了实践指导。如果起始材料是商业纯铝，则可以通过添加少量精心选择的合金元素来定制氢气的产生和流量。如果起始原料是废铝，谨慎选择来源是非常重要的。如果要产生短时高强度的氢气，汽车废料场的含硅铝片可以起到很好的作用。如果需要时间更长但流量更低的氢气，可能用从拆除的建筑框架中取出的含镁废铝更好。如果需要介于两者之间，同时含有硅和镁的铝，效果非常好；这种材料在废弃的汽车、摩托车、游艇、自行车架甚至智能手机外壳上随处可见。

调整的另一个机会是减小晶粒尺寸。

另一个影响制氢的实用方法是减小铝颗粒的尺寸，这种变化会增加反应发生的总表面积。

为了研究这种方法，研究人员要求供应商提供特别定制的样品。诺贝利专家采用标准的工业流程。首先，每个样品通过两个滚筒，从顶部和底部挤压，使内部颗粒变平。然后，再次加热每个样品，以重组长而平的颗粒，并将其减小到目标尺寸。

在一系列精心设计的实验中，麻省理工学院的团队发现，在不同的样品中，减小晶粒尺寸可以提高效率，缩短反应持续时间。同样，特定的合金元素也对结果有很大的影响。

需要的是:一个可以解释观察结果的修正理论。

在整个实验过程中，研究人员遇到了一些意想不到的结果。例如，标准腐蚀理论预测纯铝将比掺硅铝产生更多的氢气，这与实验中观察到的情况相反。

为了弄清潜在的化学反应，研究人员研究了氢气“通量”，即铝表面(包括内部颗粒)每平方厘米产生的氢气总量随时间的变化。研究人员检查了四种成分的三种粒度，并收集了数千个数据点来测量氢通量。

结果表明，减小晶粒尺寸具有显著的效果。它可以将掺硅铝的峰值氢通量提高100倍，将含有其他三种成分的铝的峰值氢通量提高10倍。对于纯铝和含硅铝，减小晶粒尺寸也会减缓峰值通量的延迟，增加后续的下降速率。在含镁的铝中，减小晶粒尺寸将导致峰值氢通量的增加和后期氢输出速率的略微降低。在同时含有镁和硅的铝中，氢通量随时间的变化类似于不控制晶粒尺寸的含镁的铝。当晶粒尺寸减小时，氢输出的特性开始类似于含硅铝的特性。这个结果出乎意料，因为当硅和镁共存时，它们会反应生成硅化镁，从而产生一种新型的具有自身特点的铝合金。

研究人员表示，对潜在的化学反应有更好的基本了解是有益的。除了指导实际系统的设计，还可以帮助研究人员在预处理混合物中寻找昂贵的铟替代品。其他研究表明，镓会自然渗入铝晶界。

但研究人员已经展示了两种调节氢反应速率的实用方法:向铝中添加某些元素，以及控制内部铝颗粒的大小。这两种方法的结合可以产生显著的效果。

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