Mentre il mondo lavora per allontanarsi dai combustibili fossili, molti ricercatori stanno studiando se il carburante a idrogeno pulito può svolgere un ruolo ampliato in settori dai trasporti e l'industria agli edifici e alla produzione di energia. Potrebbe essere utilizzato nei veicoli a celle a combustibile, caldaie per la produzione di calore, turbine a gas per la produzione di elettricità, sistemi per lo stoccaggio di energia rinnovabile, e altro ancora.

Ma mentre l'utilizzo dell'idrogeno non genera emissioni di carbonio, farlo in genere lo fa. Oggi, quasi tutto l'idrogeno viene prodotto utilizzando processi basati su combustibili fossili che insieme generano oltre il 2% di tutte le emissioni globali di gas serra. Inoltre, l'idrogeno viene spesso prodotto in un luogo e consumato in un altro, il che significa che il suo utilizzo presenta anche sfide logistiche.

Una reazione promettente

Un'altra opzione per produrre idrogeno proviene da una fonte forse sorprendente:la reazione dell'alluminio con l'acqua. Il metallo di alluminio reagirà facilmente con l'acqua a temperatura ambiente per formare idrossido di alluminio e idrogeno. Quella reazione in genere non avviene perché uno strato di ossido di alluminio ricopre naturalmente il metallo grezzo, impedendogli di entrare direttamente in contatto con l'acqua.

L'utilizzo della reazione alluminio-acqua per generare idrogeno non produce emissioni di gas serra, e promette di risolvere il problema del trasporto per qualsiasi località con acqua disponibile. Basta spostare l'alluminio e poi reagire con l'acqua sul posto. "Fondamentalmente, l'alluminio diventa un meccanismo per immagazzinare idrogeno e molto efficace, " dice Douglas P. Hart, professore di ingegneria meccanica al MIT. "Utilizzando l'alluminio come nostra fonte, possiamo "immagazzinare" l'idrogeno a una densità 10 volte maggiore rispetto a quando lo immagazziniamo semplicemente come gas compresso".

Due problemi hanno impedito all'alluminio di essere utilizzato come cassaforte, fonte economica per la generazione di idrogeno. Il primo problema è garantire che la superficie in alluminio sia pulita e disponibile a reagire con l'acqua. A quello scopo, un sistema pratico deve includere un mezzo per prima modificare lo strato di ossido e poi impedirne la riformazione man mano che la reazione procede.

Il secondo problema è che l'alluminio puro è ad alta intensità energetica da estrarre e produrre, quindi qualsiasi approccio pratico deve utilizzare rottami di alluminio provenienti da varie fonti. Ma l'alluminio di scarto non è un materiale di partenza facile. Si presenta tipicamente in una forma legata, il che significa che contiene altri elementi che vengono aggiunti per modificare le proprietà o le caratteristiche dell'alluminio per usi diversi. Per esempio, l'aggiunta di magnesio aumenta la forza e la resistenza alla corrosione, l'aggiunta di silicio abbassa il punto di fusione, e l'aggiunta di un po' di entrambi rende una lega moderatamente forte e resistente alla corrosione.

Nonostante la notevole ricerca sull'alluminio come fonte di idrogeno, Rimangono due domande chiave:qual è il modo migliore per prevenire l'adesione di uno strato di ossido sulla superficie di alluminio, e in che modo gli elementi di lega in un pezzo di rottame di alluminio influiscono sulla quantità totale di idrogeno generato e sulla velocità con cui viene generato?

"Se utilizzeremo rottami di alluminio per la generazione di idrogeno in un'applicazione pratica, dobbiamo essere in grado di prevedere meglio quali caratteristiche di generazione di idrogeno osserveremo dalla reazione alluminio-acqua, "dice Laureen Meroueh Ph.D. '20, che ha conseguito il dottorato in ingegneria meccanica.

Poiché i passaggi fondamentali della reazione non sono ben compresi, è stato difficile prevedere la velocità e il volume con cui l'idrogeno si forma dai rottami di alluminio, che possono contenere diversi tipi e concentrazioni di elementi di lega. Quindi Hart, Merouh, e Thomas W. Eagar, un professore di ingegneria dei materiali e gestione dell'ingegneria presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali del MIT, decise di esaminare, in modo sistematico, gli impatti di quegli elementi di lega sulla reazione alluminio-acqua e su una tecnica promettente per prevenire la formazione dello strato di ossido interferente.

Per preparare, avevano esperti di Novelis Inc. fabbricare campioni di alluminio puro e di leghe di alluminio specifiche fatte di alluminio commercialmente puro combinato con lo 0,6 percento di silicio (in peso), 1 per cento di magnesio, o entrambi:composizioni tipiche dei rottami di alluminio provenienti da una varietà di fonti. Usando quei campioni, i ricercatori del MIT hanno eseguito una serie di test per esplorare diversi aspetti della reazione alluminio-acqua.

Pretrattare l'alluminio

Il primo passo è stato quello di dimostrare un mezzo efficace per penetrare lo strato di ossido che si forma nell'aria sull'alluminio. L'alluminio solido è costituito da minuscoli granelli che sono imballati insieme con bordi occasionali in cui non si allineano perfettamente. Per massimizzare la produzione di idrogeno, i ricercatori avrebbero bisogno di prevenire la formazione dello strato di ossido su tutte quelle superfici interne dei grani.

I gruppi di ricerca hanno già provato vari modi per mantenere "attivati" i grani di alluminio per la reazione con l'acqua. Alcuni hanno frantumato campioni di scarto in particelle così minuscole che lo strato di ossido non aderisce. Ma le polveri di alluminio sono pericolose, in quanto possono reagire con l'umidità ed esplodere. Un altro approccio prevede la macinazione di campioni di scarto e l'aggiunta di metalli liquidi per prevenire la deposizione di ossido. Ma la rettifica è un processo costoso e ad alta intensità energetica.

a Hart, Merouh, e Eagar, l'approccio più promettente, introdotto per la prima volta da Jonathan Slocum ScD '18 mentre lavorava nel gruppo di ricerca di Hart, prevedeva il pretrattamento dell'alluminio solido dipingendo metalli liquidi sulla parte superiore e consentendo loro di permeare attraverso i bordi dei grani.

Per determinare l'efficacia di tale approccio, i ricercatori avevano bisogno di confermare che i metalli liquidi avrebbero raggiunto le superfici interne dei grani, con e senza elementi di lega presenti. E hanno dovuto stabilire quanto tempo ci sarebbe voluto perché il metallo liquido rivestisse tutti i grani di alluminio puro e delle sue leghe.

Hanno iniziato combinando due metalli, gallio e indio, in proporzioni specifiche per creare una miscela "eutettica"; questo è, una miscela che rimarrebbe in forma liquida a temperatura ambiente. Hanno rivestito i loro campioni con l'eutettico e gli hanno permesso di penetrare per periodi di tempo che vanno dalle 48 alle 96 ore. Hanno quindi esposto i campioni all'acqua e hanno monitorato la resa di idrogeno (la quantità formata) e la portata per 250 minuti. Dopo 48 ore, hanno anche preso immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) ad alto ingrandimento in modo da poter osservare i confini tra i grani di alluminio adiacenti.

Sulla base delle misurazioni della resa di idrogeno e delle immagini SEM, il team del MIT ha concluso che l'eutettico di gallio-indio permea naturalmente e raggiunge le superfici interne dei grani. Però, la velocità e l'entità della penetrazione variano con la lega. La velocità di permeazione era la stessa nei campioni di alluminio drogato con silicio come nei campioni di alluminio puro ma più lenta nei campioni drogati con magnesio.

Forse i più interessanti sono stati i risultati di campioni drogati sia con silicio che con magnesio, una lega di alluminio che si trova spesso nei flussi di riciclaggio. Silicio e magnesio si legano chimicamente per formare siliciuro di magnesio, che si presenta come depositi solidi sulle superfici interne dei grani. Meroueh ha ipotizzato che quando sia il silicio che il magnesio sono presenti nei rottami di alluminio, tali depositi possono fungere da barriere che impediscono il flusso dell'eutettico gallio-indio.

Gli esperimenti e le immagini hanno confermato la sua ipotesi:i depositi solidi fungevano da barriere, e le immagini dei campioni pretrattati per 48 ore hanno mostrato che la permeazione non era completa. Chiaramente, un lungo periodo di pretrattamento sarebbe fondamentale per massimizzare la resa di idrogeno da scarti di alluminio contenenti sia silicio che magnesio.

Meroueh cita diversi vantaggi per il processo che hanno usato. "Non devi applicare alcuna energia affinché l'eutettico di gallio-indio faccia la sua magia sull'alluminio e si sbarazzi di quello strato di ossido, " dice. "Una volta che hai attivato il tuo alluminio, puoi lasciarlo cadere nell'acqua, e genererà idrogeno, senza bisogno di energia." Ancora meglio, l'eutettico non reagisce chimicamente con l'alluminio. "Si muove solo fisicamente tra i grani, " dice. "Alla fine del processo, Potrei recuperare tutto il gallio e l'indio che ho messo e riutilizzarlo"—una caratteristica preziosa poiché il gallio e (soprattutto) l'indio sono costosi e relativamente scarsi.

Impatti degli elementi di lega sulla generazione di idrogeno

I ricercatori hanno poi studiato come la presenza di elementi di lega influisce sulla generazione di idrogeno. Hanno testato campioni che erano stati trattati con l'eutettico per 96 ore; per allora, la resa e le portate di idrogeno si erano stabilizzate in tutti i campioni.

La presenza dello 0,6 percento di silicio ha aumentato la resa di idrogeno per un dato peso di alluminio del 20 percento rispetto all'alluminio puro, anche se il campione contenente silicio aveva meno alluminio rispetto al campione di alluminio puro. In contrasto, la presenza dell'1% di magnesio produceva molto meno idrogeno, mentre l'aggiunta di silicio e magnesio ha aumentato la resa, ma non al livello dell'alluminio puro.

La presenza di silicio ha anche notevolmente accelerato la velocità di reazione, producendo un picco molto più alto nella portata ma riducendo la durata della produzione di idrogeno. La presenza di magnesio ha prodotto una portata inferiore ma ha permesso alla produzione di idrogeno di rimanere abbastanza costante nel tempo. E ancora una volta, l'alluminio con entrambi gli elementi di lega ha prodotto una portata tra quella dell'alluminio drogato con magnesio e quella dell'alluminio puro.

Questi risultati forniscono una guida pratica su come regolare la produzione di idrogeno per soddisfare le esigenze operative di un dispositivo che consuma idrogeno. Se il materiale di partenza è alluminio commercialmente puro, l'aggiunta di piccole quantità di elementi di lega accuratamente selezionati può personalizzare la resa e la portata di idrogeno. Se il materiale di partenza è rottame di alluminio, un'attenta scelta della fonte può essere fondamentale. Per alto, brevi raffiche di idrogeno, pezzi di alluminio contenenti silicio provenienti da una discarica di automobili potrebbero funzionare bene. Per flussi inferiori ma più lunghi, Gli scarti contenenti magnesio dal telaio di un edificio demolito potrebbero essere migliori. Per risultati da qualche parte nel mezzo, l'alluminio contenente sia silicio che magnesio dovrebbe funzionare bene; tale materiale è abbondantemente disponibile da auto e moto rottamate, yacht, telai di biciclette, e persino custodie per smartphone.

Dovrebbe anche essere possibile combinare scarti di diverse leghe di alluminio per regolare il risultato, osserva Meroueh. "Se ho un campione di alluminio attivato che contiene solo silicio e un altro campione che contiene solo magnesio, Posso metterli entrambi in un contenitore d'acqua e lasciarli reagire, " dice. "Quindi ottengo il rapido aumento della produzione di idrogeno dal silicio e poi il magnesio prende il sopravvento e ha una produzione costante".

Un'altra opportunità di messa a punto:riduzione della granulometria

Un altro modo pratico per influenzare la produzione di idrogeno potrebbe essere quello di ridurre le dimensioni dei grani di alluminio, un cambiamento che dovrebbe aumentare la superficie totale disponibile per le reazioni.

Per indagare su tale approccio, i ricercatori hanno richiesto campioni appositamente personalizzati dal loro fornitore. Utilizzando procedure industriali standard, gli esperti di Novelis hanno prima alimentato ogni campione attraverso due rulli, schiacciandolo dall'alto e dal basso in modo che i grani interni fossero appiattiti. Hanno quindi riscaldato ogni campione fino al lungo, i grani piatti si erano riorganizzati e ridotti a una dimensione mirata.

In una serie di esperimenti accuratamente progettati, il team del MIT ha scoperto che la riduzione della dimensione dei grani aumentava l'efficienza e diminuiva la durata della reazione a vari livelli nei diversi campioni. Ancora, la presenza di particolari elementi di lega ha avuto un effetto importante sul risultato.

Necessario:una teoria rivista che spieghi le osservazioni

Durante i loro esperimenti, i ricercatori hanno riscontrato alcuni risultati inaspettati. Per esempio, la teoria della corrosione standard prevede che l'alluminio puro genererà più idrogeno dell'alluminio drogato con silicio, l'opposto di ciò che hanno osservato nei loro esperimenti.

Per far luce sulle reazioni chimiche sottostanti, Hart, Merouh, ed Eagar hanno studiato il "flusso di idrogeno, " questo è, il volume di idrogeno generato nel tempo su ogni centimetro quadrato di superficie in alluminio, compresi i grani interni. Hanno esaminato tre granulometrie per ciascuna delle loro quattro composizioni e raccolto migliaia di punti dati che misurano il flusso di idrogeno.

I loro risultati mostrano che la riduzione della granulometria ha effetti significativi. Aumenta il flusso di picco di idrogeno dall'alluminio drogato con silicio fino a 100 volte e dalle altre tre composizioni di 10 volte. Sia con alluminio puro che con alluminio contenente silicio, la riduzione della dimensione del grano riduce anche il ritardo prima del flusso di picco e aumenta la velocità di declino in seguito. Con alluminio contenente magnesio, la riduzione della granulometria determina un aumento del flusso di picco di idrogeno e determina una diminuzione leggermente più rapida della velocità di produzione dell'idrogeno. Con sia silicio che magnesio presenti, il flusso di idrogeno nel tempo assomiglia a quello dell'alluminio contenente magnesio quando la granulometria non viene manipolata. Quando la granulometria è ridotta, le caratteristiche di uscita dell'idrogeno iniziano ad assomigliare al comportamento osservato nell'alluminio contenente silicio. Quel risultato era inaspettato perché quando silicio e magnesio sono entrambi presenti, reagiscono per formare siliciuro di magnesio, risultando in un nuovo tipo di lega di alluminio con le proprie proprietà.

I ricercatori sottolineano i vantaggi dello sviluppo di una migliore comprensione fondamentale delle reazioni chimiche sottostanti coinvolte. Oltre a guidare la progettazione di sistemi pratici, potrebbe aiutarli a trovare un sostituto per il costoso indio nella loro miscela di pretrattamento. Altri lavori hanno dimostrato che il gallio permeerà naturalmente attraverso i bordi dei grani dell'alluminio. "A questo punto, sappiamo che l'indio nel nostro eutettico è importante, ma non capiamo davvero cosa fa, quindi non sappiamo come sostituirlo, "dice Hart.

Ma già Hart, Merouh, ed Eagar hanno dimostrato due modi pratici per regolare la velocità di reazione dell'idrogeno:aggiungendo alcuni elementi all'alluminio e manipolando le dimensioni dei grani interni di alluminio. In combinazione, questi approcci possono fornire risultati significativi. "Se si passa dall'alluminio contenente magnesio con la granulometria più grande all'alluminio contenente silicio con la granulometria più piccola, si ottiene una velocità di reazione dell'idrogeno che differisce di due ordini di grandezza, " dice Meroueh. "È enorme se stai cercando di progettare un sistema reale che utilizzi questa reazione".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.