Mientras el mundo trabaja para alejarse de los combustibles fósiles, Muchos investigadores están investigando si el combustible de hidrógeno limpio puede desempeñar un papel más amplio en sectores que van desde el transporte y la industria hasta los edificios y la generación de energía. Podría utilizarse en vehículos de pila de combustible, calderas generadoras de calor, turbinas de gas generadoras de electricidad, sistemas de almacenamiento de energía renovable, y más.

Pero aunque el uso de hidrógeno no genera emisiones de carbono, por lo que normalmente lo hace. Hoy dia, Casi todo el hidrógeno se produce mediante procesos basados ​​en combustibles fósiles que, en conjunto, generan más del 2 por ciento de todas las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Además, El hidrógeno a menudo se produce en un lugar y se consume en otro. lo que significa que su uso también presenta desafíos logísticos.

Una reacción prometedora

Otra opción para producir hidrógeno proviene de una fuente quizás sorprendente:la reacción de aluminio con agua. El aluminio metálico reaccionará fácilmente con el agua a temperatura ambiente para formar hidróxido de aluminio e hidrógeno. Esa reacción no suele tener lugar porque una capa de óxido de aluminio recubre naturalmente el metal en bruto, evitando que entre en contacto directo con el agua.

El uso de la reacción aluminio-agua para generar hidrógeno no produce emisiones de gases de efecto invernadero, y promete resolver el problema de transporte para cualquier lugar con agua disponible. Simplemente mueva el aluminio y luego reaccione con agua en el lugar. "Fundamentalmente, el aluminio se convierte en un mecanismo para almacenar hidrógeno, y muy eficaz, "dice Douglas P. Hart, profesor de ingeniería mecánica en el MIT. "Utilizando el aluminio como fuente, podemos 'almacenar' hidrógeno a una densidad que es 10 veces mayor que si lo almacenáramos como gas comprimido ".

Dos problemas han impedido que el aluminio se utilice como caja fuerte, fuente económica para la generación de hidrógeno. El primer problema es asegurarse de que la superficie de aluminio esté limpia y disponible para reaccionar con el agua. Con ese fin, un sistema práctico debe incluir un medio de modificar primero la capa de óxido y luego evitar que se vuelva a formar a medida que avanza la reacción.

El segundo problema es que el aluminio puro consume mucha energía para extraer y producir, por lo que cualquier enfoque práctico debe utilizar chatarra de aluminio de diversas fuentes. Pero la chatarra de aluminio no es un material de partida fácil. Suele presentarse en forma de aleación, es decir, contiene otros elementos que se agregan para cambiar las propiedades o características del aluminio para diferentes usos. Por ejemplo, la adición de magnesio aumenta la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión, agregar silicio reduce el punto de fusión, y agregar un poco de ambos hace una aleación que es moderadamente fuerte y resistente a la corrosión.

A pesar de la considerable investigación sobre el aluminio como fuente de hidrógeno, Quedan dos preguntas clave:¿Cuál es la mejor manera de evitar la adherencia de una capa de óxido en la superficie de aluminio? y ¿cómo afectan los elementos de aleación en una pieza de chatarra de aluminio la cantidad total de hidrógeno generado y la velocidad a la que se genera?

"Si vamos a utilizar chatarra de aluminio para la generación de hidrógeno en una aplicación práctica, necesitamos poder predecir mejor qué características de generación de hidrógeno vamos a observar a partir de la reacción aluminio-agua, "dice Laureen Meroueh Ph.D. '20, quien obtuvo su doctorado en ingeniería mecánica.

Dado que los pasos fundamentales de la reacción no se comprenden bien, Ha sido difícil predecir la velocidad y el volumen al que se forma el hidrógeno a partir de la chatarra de aluminio. que puede contener diversos tipos y concentraciones de elementos de aleación. Así que Hart, Meroueh, y Thomas W. Eagar, profesor de ingeniería de materiales y gestión de ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, decidió examinar, de manera sistemática, los impactos de esos elementos de aleación en la reacción aluminio-agua y en una técnica prometedora para prevenir la formación de la capa de óxido interferente.

Preparar, contaron con expertos en Novelis Inc. que fabricaron muestras de aluminio puro y de aleaciones de aluminio específicas hechas de aluminio comercialmente puro combinado con 0,6 por ciento de silicio (en peso), 1 por ciento de magnesio o ambos:composiciones típicas de la chatarra de aluminio de diversas fuentes. Usando esas muestras, Los investigadores del MIT realizaron una serie de pruebas para explorar diferentes aspectos de la reacción aluminio-agua.

Tratamiento previo del aluminio

El primer paso fue demostrar un medio eficaz para penetrar la capa de óxido que se forma en el aluminio en el aire. El aluminio sólido está formado por pequeños granos que se empaquetan juntos con límites ocasionales donde no se alinean perfectamente. Para maximizar la producción de hidrógeno, los investigadores tendrían que prevenir la formación de la capa de óxido en todas esas superficies de grano interiores.

Los grupos de investigación ya han probado varias formas de mantener los granos de aluminio "activados" para que reaccionen con el agua. Algunos han triturado muestras de desechos en partículas tan pequeñas que la capa de óxido no se adhiere. Pero los polvos de aluminio son peligrosos ya que pueden reaccionar con la humedad y explotar. Otro enfoque requiere triturar muestras de desechos y agregar metales líquidos para evitar la deposición de óxido. Pero la molienda es un proceso costoso y que consume mucha energía.

Para Hart, Meroueh, y Eagar, El enfoque más prometedor, presentado por primera vez por Jonathan Slocum ScD '18 mientras trabajaba en el grupo de investigación de Hart, implicó el tratamiento previo del aluminio sólido pintando metales líquidos en la parte superior y permitiéndoles penetrar a través de los límites de los granos.

Para determinar la efectividad de ese enfoque, los investigadores necesitaban confirmar que los metales líquidos alcanzarían las superficies internas del grano, con y sin elementos de aleación presentes. Y tenían que establecer cuánto tiempo tardaría el metal líquido en recubrir todos los granos con aluminio puro y sus aleaciones.

Comenzaron combinando dos metales, galio e indio, en proporciones específicas para crear una mezcla "eutéctica"; es decir, una mezcla que permanecería en forma líquida a temperatura ambiente. Cubrieron sus muestras con el eutéctico y lo dejaron penetrar durante períodos de tiempo que iban de 48 a 96 horas. Luego expusieron las muestras al agua y monitorearon el rendimiento de hidrógeno (la cantidad formada) y la velocidad de flujo durante 250 minutos. Después de 48 horas, también tomaron imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de gran aumento para poder observar los límites entre los granos de aluminio adyacentes.

Basado en las mediciones de rendimiento de hidrógeno y las imágenes SEM, el equipo del MIT concluyó que el eutéctico de galio-indio penetra y alcanza naturalmente las superficies interiores del grano. Sin embargo, la velocidad y el grado de penetración varían con la aleación. La tasa de permeación fue la misma en las muestras de aluminio dopado con silicio que en las muestras de aluminio puro, pero más lenta en las muestras dopadas con magnesio.

Quizás lo más interesante fueron los resultados de las muestras dopadas tanto con silicio como con magnesio, una aleación de aluminio que se encuentra a menudo en las corrientes de reciclaje. El silicio y el magnesio se unen químicamente para formar siliciuro de magnesio, que se produce como depósitos sólidos en las superficies internas del grano. Meroueh planteó la hipótesis de que cuando tanto el silicio como el magnesio están presentes en la chatarra de aluminio, esos depósitos pueden actuar como barreras que impiden el flujo del eutéctico de galio-indio.

Los experimentos y las imágenes confirmaron su hipótesis:los depósitos sólidos actuaron como barreras, y las imágenes de muestras pretratadas durante 48 horas mostraron que la permeación no fue completa. Claramente, un período de pretratamiento prolongado sería crítico para maximizar el rendimiento de hidrógeno de los desechos de aluminio que contienen silicio y magnesio.

Meroueh cita varios beneficios del proceso que utilizaron. "No es necesario aplicar ninguna energía para que el eutéctico de galio-indio haga su magia en el aluminio y se deshaga de esa capa de óxido, ", dice." Una vez que hayas activado tu aluminio, puedes dejarlo caer en el agua, y generará hidrógeno, sin necesidad de aporte de energía ". Aún mejor, el eutéctico no reacciona químicamente con el aluminio. "Simplemente se mueve físicamente entre los granos, ", dice." Al final del proceso, Podría recuperar todo el galio y el indio que puse y volver a usarlo ", una característica valiosa ya que el galio y (especialmente) el indio son costosos y escasean relativamente.

Impactos de los elementos de aleación en la generación de hidrógeno

A continuación, los investigadores investigaron cómo la presencia de elementos de aleación afecta la generación de hidrógeno. Analizaron muestras que habían sido tratadas con el eutéctico durante 96 horas; para entonces, el rendimiento de hidrógeno y los caudales se habían estabilizado en todas las muestras.

La presencia de 0,6 por ciento de silicio aumentó el rendimiento de hidrógeno para un peso dado de aluminio en un 20 por ciento en comparación con el aluminio puro, aunque la muestra que contiene silicio tenía menos aluminio que la muestra de aluminio puro. A diferencia de, la presencia de 1 por ciento de magnesio produjo mucho menos hidrógeno, mientras que la adición de silicio y magnesio aumentó el rendimiento, pero no al nivel del aluminio puro.

La presencia de silicio también aceleró enormemente la velocidad de reacción, produciendo un pico mucho más alto en la tasa de flujo pero acortando la duración de la salida de hidrógeno. La presencia de magnesio produjo una tasa de flujo más baja, pero permitió que la producción de hidrógeno se mantuviera bastante estable a lo largo del tiempo. Una vez mas, el aluminio con ambos elementos de aleación produjo un caudal entre el aluminio dopado con magnesio y el aluminio puro.

Esos resultados proporcionan una guía práctica sobre cómo ajustar la producción de hidrógeno para que coincida con las necesidades operativas de un dispositivo que consume hidrógeno. Si el material de partida es aluminio comercialmente puro, La adición de pequeñas cantidades de elementos de aleación cuidadosamente seleccionados puede adaptar el rendimiento y el caudal de hidrógeno. Si el material de partida es chatarra de aluminio, La elección cuidadosa de la fuente puede ser clave. Por alto, breves ráfagas de hidrógeno, piezas de aluminio que contienen silicio de un depósito de chatarra de automóviles podrían funcionar bien. Para caudales más bajos pero más largos, Los desechos que contienen magnesio del marco de un edificio demolido podrían ser mejores. Para obtener resultados en algún punto intermedio, el aluminio que contiene silicio y magnesio debería funcionar bien; dicho material está disponible en abundancia en automóviles y motocicletas desguazados, yates cuadros de bicicleta, e incluso fundas para teléfonos inteligentes.

También debería ser posible combinar restos de diferentes aleaciones de aluminio para ajustar el resultado, señala Meroueh. "Si tengo una muestra de aluminio activado que contiene solo silicio y otra muestra que contiene solo magnesio, Puedo ponerlos a ambos en un recipiente con agua y dejarlos reaccionar, ", dice." Entonces obtengo el rápido aumento en la producción de hidrógeno a partir del silicio y luego el magnesio se hace cargo y tiene esa producción constante ".

Otra oportunidad para afinar:Reducir el tamaño de grano

Otra forma práctica de afectar la producción de hidrógeno podría ser reducir el tamaño de los granos de aluminio, un cambio que debería aumentar la superficie total disponible para que ocurran las reacciones.

Para investigar ese enfoque, los investigadores solicitaron muestras especialmente personalizadas a su proveedor. Utilizando procedimientos industriales estándar, los expertos de Novelis primero alimentaron cada muestra a través de dos rodillos, exprimiéndolo desde arriba y desde abajo para que los granos internos queden aplanados. Luego calentaron cada muestra hasta que el los granos planos se habían reorganizado y reducido a un tamaño objetivo.

En una serie de experimentos cuidadosamente diseñados, el equipo del MIT descubrió que la reducción del tamaño de grano aumentaba la eficiencia y disminuía la duración de la reacción en diversos grados en las diferentes muestras. De nuevo, la presencia de elementos de aleación particulares tuvo un efecto importante en el resultado.

Necesario:una teoría revisada que explique las observaciones

A lo largo de sus experimentos, los investigadores encontraron algunos resultados inesperados. Por ejemplo, La teoría estándar de la corrosión predice que el aluminio puro generará más hidrógeno que el aluminio dopado con silicio, lo contrario de lo que observaron en sus experimentos.

Para arrojar luz sobre las reacciones químicas subyacentes, Ciervo, Meroueh, y Eagar investigó el flujo de hidrógeno, " es decir, el volumen de hidrógeno generado a lo largo del tiempo en cada centímetro cuadrado de superficie de aluminio, incluyendo los granos del interior. Examinaron tres tamaños de grano para cada una de sus cuatro composiciones y recopilaron miles de puntos de datos que miden el flujo de hidrógeno.

Sus resultados muestran que la reducción del tamaño de grano tiene efectos significativos. Aumenta el pico de flujo de hidrógeno del aluminio dopado con silicio hasta 100 veces y de las otras tres composiciones hasta 10 veces. Con aluminio puro y aluminio que contiene silicio, la reducción del tamaño de grano también disminuye el retraso antes del pico de flujo y aumenta la tasa de disminución después. Con aluminio que contiene magnesio, la reducción del tamaño de grano provoca un aumento en el flujo máximo de hidrógeno y da como resultado una disminución ligeramente más rápida en la tasa de producción de hidrógeno. Con presencia de silicio y magnesio, el flujo de hidrógeno a lo largo del tiempo se asemeja al del aluminio que contiene magnesio cuando no se manipula el tamaño de grano. Cuando se reduce el tamaño de grano, las características de salida de hidrógeno comienzan a parecerse al comportamiento observado en el aluminio que contiene silicio. Ese resultado fue inesperado porque cuando el silicio y el magnesio están presentes, reaccionan para formar siliciuro de magnesio, dando como resultado un nuevo tipo de aleación de aluminio con propiedades propias.

Los investigadores enfatizan los beneficios de desarrollar una mejor comprensión fundamental de las reacciones químicas subyacentes involucradas. Además de orientar el diseño de sistemas prácticos, podría ayudarlos a encontrar un reemplazo para el costoso indio en su mezcla de pretratamiento. Otro trabajo ha demostrado que el galio penetrará naturalmente a través de los límites de grano del aluminio. "En este punto, sabemos que el indio en nuestro eutéctico es importante, pero realmente no entendemos lo que hace entonces no sabemos cómo reemplazarlo, "dice Hart.

Pero ya Hart, Meroueh, y Eagar han demostrado dos formas prácticas de ajustar la velocidad de reacción del hidrógeno:agregando ciertos elementos al aluminio y manipulando el tamaño de los granos de aluminio interiores. En combinación, esos enfoques pueden producir resultados significativos. "Si pasa del aluminio que contiene magnesio con el tamaño de grano más grande al aluminio que contiene silicio con el tamaño de grano más pequeño, obtienes una velocidad de reacción de hidrógeno que difiere en dos órdenes de magnitud, ", dice Meroueh." Eso es enorme si está tratando de diseñar un sistema real que utilice esta reacción ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.