Алюминий, покрытый галлием и индием, может использоваться для получения водорода

Ученые показали, что сплав галлия и индия активирует алюминий, при этом в ходе реакции активированного алюминия с водой выделяется водород. Так, при 60^оС образуется до 2,5 л/(г-мин) водорода, хотя чистый алюминий позволяет получать только 1,24 л/(г-мин) и только после устранения прочной оксидной пленки на его поверхности. Сгенерированный водород может использоваться для получения энергии. Исследователи представили свой доклад на Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах».

В ходе цикла водородной энергетики энергия от возобновляемых источников используется для разложения воды. При этом выделяется водород, который в качестве энергоносителя передается потребителям, окисляющим его до воды с получением энергии. Водородная энергетика не ограничена запасами сырья, а энергию окисления водорода кислородом воздуха легко конвертировать в электричество. Кроме того, у водородной энергетики нет вредных побочных продуктов, что делает ее относительно экологически безопасной. Однако ее широкому внедрению мешают малоэффективные способы хранения и транспортировки водорода, как правило, основанные на использовании сжатого или сжиженного газа. Низкая плотность, воспламеняемость и взрывоопасность водорода требуют разработки новых технологий его получения.

В качестве возможной альтернативы исследователи предложили получать водород на месте, то есть там, где он потребляется, например за счет реакции воды с металлами. Так, использование алюминия, выделяющего во время реакции с водой до 1,24 л/(г-мин) водорода, считается одним из наиболее простых вариантов решения проблемы. Алюминий — это дешевый и доступный материал, побочные продукты которого вторично перерабатываются. Однако на поверхности алюминия на воздухе возникает прочная оксидная пленка, препятствующая его взаимодействию с водой.

Решением задачи активации алюминия может быть механохимическая обработка металла галламом — сплавом галлия и индия, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии. Обработка алюминия сплавом увеличивала скорость выделения водорода до 1,3 л/(г-мин) при комнатной температуре, а при 60оС — до 2,5 л/(г-мин). При этом индий и галлий стремились концентрироваться на поверхности. Такая многокомпонентная пленка предотвращала образование плотного, непроницаемого для воды оксидного слоя, и позволяла генерировать водород с регулируемой скоростью.

Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова провели систематическое исследование процесса окисления активированного алюминия в водно-солевых растворах. Авторы изучили процесс выделения водорода в чистой воде и в солевых растворах. В солевых растворах скорость выделения водорода снижалась в 5-24 раза, вопреки ожидаемому увеличения за счет создания электрохимической среды.

Так как галлий и индий довольно дорогие металлы, в качестве альтернативы может быть использован висмут. Этот металл тоже формировал на поверхности алюминия металлическую фазу. Однако скорость генерирования водорода у варианта с висмутом оказалась меньше 0,4 л/(г-мин), а реакция протекала только на 90-93%. При этом малейшие добавки солей вели к сильному снижению скорости.

Ингибирующий эффект солей связан с адсорбцией ионов и снижением эффективности активаторов (галлия, индия, висмута). Таким образом, ученые показали, что, скорее всего, в активизации алюминия нет электрохимической природы.

На данный момент получение водорода на месте используется для производства «powerbank», требующих только добавления воды для подзарядки телефонов и ноутбуков. Кроме того, такие устройства могут быть использованы для подзарядки удаленных и мало потребляющих энергии объектов, например гидрологических буев в море.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».