Инженеры давно осознали мощь и безграничную доступность водорода, самого распространенного элемента во Вселенной. Водород естественным образом встречается в окружающей среде, но почти всегда химически связан с другими элементами — например, с кислородом в воде (H2O) или с углеродом в метане (CH4). Чтобы получить чистый водород, его нужно отделить от одной из этих молекул. Практически весь водород, производимый в Соединенных Штатах, получают из углеводородного топлива, в первую очередь природного газа, путем парового риформинга, многоступенчатого процесса, в котором углеводороды реагируют с высокотемпературным паром в присутствии катализатора с образованием моноксида углерода. диоксид углерода и молекулярный водород (H2).
Затем водород можно отделить от других газов с помощью громоздкого многоступенчатого химического процесса, но стоимость и сложность производства водорода можно снизить, используя мембрану для разделения. Большинство мембран для разделения водорода, разрабатываемых в настоящее время, используют палладий из благородного металла, который имеет необычно высокую растворимость и проницаемость для водорода (что означает, что водород легко растворяется и проходит через металл, в то время как другие газы исключены). Но палладий дорогой (в настоящее время он продается по цене около 900 долларов за унцию) и хрупкий.
По этим причинам инженеры-химики долго искали альтернативы палладию для использования в мембранах для разделения водорода, но до сих пор подходящих кандидатов не появилось. Новаторское исследование, проведенное Равиндрой Датта, профессором химического машиностроения в Вустерском политехническом институте (WPI), могло выявить давно неуловимую альтернативу палладию: жидкие металлы.
Множество металлов и сплавов являются жидкими при стандартных рабочих температурах систем парового риформинга (около 500 ° C), и большинство из них намного дешевле палладия. Кроме того, мембрана, сделанная из пленки из жидкого металла, не должна иметь дефектов и трещин, которые могут сделать палладиевую мембрану непригодной для использования.Исследование WPI, опубликованное в Журнале Американского института инженеров-химиков, впервые продемонстрировало, что в дополнение к этим преимуществам жидкометаллические мембраны также оказываются значительно более эффективными, чем палладий, в отделении чистого водорода от других газов, что предполагает что они могут обеспечить практическое и эффективное решение проблемы поставок доступного водорода для транспортных средств на топливных элементах. «Недавний переход на электромобили необратим, — сказал Датта. Он и другие считают, что следующим шагом после электромобилей станут автомобили на водородном топливе — если загадка поставок водорода будет решена.
Подобно электромобилям с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах имеют электродвигатели. Двигатели питаются от электричества, вырабатываемого внутри топливного элемента, когда водород и кислород объединяются в присутствии катализатора (единственный «ненужный» продукт — это вода). Хотя они могут вытягивать кислород из воздуха, автомобили должны иметь запас чистого водорода.Многие исследователи сосредоточились на снижении стоимости этого водорода за счет создания более совершенных и тонких палладиевых мембран.
Некоторые из самых передовых мембран были произведены бывшим профессором химической инженерии WPI И Хуа «Эд» Ма, который при значительном финансировании со стороны промышленности и Министерства энергетики США впервые применил процесс связывания палладия с пористой стальной трубкой, в результате чего палладий слои толщиной от 5 до 10 микрон.Уменьшение толщины слоя палладия увеличивает поток через мембрану или скорость, с которой чистый водород движется через нее. «Но если мембрана слишком тонкая, — сказал Датта, — она становится хрупкой или в ней появляются дефекты. И мембраны должны быть без дефектов.
Если на них образуется даже микропора или микропоры, вам придется начинать заново».Шесть лет назад Датта и его ученики начали задаваться вопросом, могут ли жидкие металлы преодолеть некоторые ограничения палладия, в частности его стоимость и хрупкость, а также потенциально предложить превосходную растворимость и проницаемость водорода. «Помимо химического сродства, проницаемость зависит от того, насколько открыта металлическая кристаллическая структура», — сказал он. «Жидкие металлы имеют больше пространства между атомами, чем твердые металлы, поэтому их растворимость и способность к диффузии должны быть выше».
После того, как обзор литературы показал, что предыдущих исследований по этой теме не было, Датта успешно подала заявку на получение награды в 1 миллион долларов от Министерства энергетики США для изучения возможности использования жидких металлов для отделения водорода. он и его команда, аспиранты Пей-Шань Йен и Николас Дево (Йен получила докторскую степень в 2016 году; Дево получила докторскую степень в мае), решили начать свои исследования с галлия, нетоксичного металла, который является жидким при комнатной температуре.Они провели фундаментальную работу, которая показала, что галлий является отличным кандидатом, поскольку он демонстрирует значительно более высокую проницаемость для водорода, чем палладий при повышенных температурах. Фактически, лабораторные исследования и теоретическое моделирование, проведенное командой, показали, что ряд металлов, которые являются жидкими при более высоких температурах, могут иметь лучшую проницаемость для водорода, чем палладий.
По словам Датты, несмотря на то, что жидкий галлий показал большие перспективы в качестве материала для отделения водорода, создание функционирующей мембраны из этого металла оказалось сложной задачей. «Оказывается, жидкие металлы очень реактивны», — сказал он. «Вы не можете поместить галлий на пористую металлическую основу, как это сделал профессор Ма с палладием, поскольку при более высоких температурах он быстро образует интерметаллические соединения, которые убивают проницаемость». Команда обнаружила, что металл также будет реагировать с рядом керамических материалов, обычно используемых в качестве подложек в палладиевых мембранах.Путем моделирования и экспериментов они составили список материалов, включая материалы на основе углерода, такие как графит и карбид кремния, которые не вступают в химическую реакцию с жидким галлием, но также смачиваются жидким металлом, а это означает, что металл будет распространяться с образованием тонкая пленка на материале подложки.
Зная, что поверхностное натяжение жидких металлов, вероятно, изменится в ответ на изменения температуры и состава газов, которым они подвергаются, что может привести к утечкам, они решили вставить металл между двумя слоями несущего материала, чтобы создать прослоенную жидкость. -металлическая мембрана или SLiMM. Мембрана, состоящая из тонкого (две десятых миллиметра) слоя жидкого галлия между слоем карбида кремния и слоем графита, была сконструирована в лаборатории и испытана на стабильность и водородопроницаемость.Мембрана выдерживалась в атмосфере водорода в течение двух недель при температуре от 480 до 550 ° C. Результаты показали, что пленка жидкого галлия была до 35 раз более проницаемой для водорода, чем сопоставимый слой палладия, и что диффузия водорода через многослойная мембрана была значительно выше, чем у типичной палладиевой мембраны.
Тест также показал, что мембраны были избирательными, позволяя проходить только водороду.«Эти испытания подтвердили нашу гипотезу о том, что жидкие металлы могут быть подходящим кандидатом для мембран для разделения водорода, — сказал Датта, — предполагая, что эти материалы могут быть долгожданной заменой палладию. Есть множество вопросов, на которые еще предстоит ответить. включая возможность увеличения размеров небольших мембран, которые мы построили в лаборатории, и будут ли мембраны устойчивыми к веществам, присутствующим в реформированных газах (включая окись углерода и серу), которые, как известно, отравляют палладиевые мембраны.
«Но, продемонстрировав возможность создания многослойных жидкометаллических мембран, мы открыли дверь в очень многообещающую новую область исследований водородной энергии», — добавил Датта, — «поскольку есть много других металлов и сплавов, помимо галлия, которые являются жидкими в жидком состоянии. 500 градусов по Цельсию.
Это огромное открытое поле с точки зрения того, какие материалы вы можете использовать. Кроме того, здесь возникает множество интересных научных вопросов ».