工程师研发出零排放燃料配方：汽水罐、海水和咖啡因

Josiah02 · 发表于 2024-7-26 09:29:55

　　旧汽水罐和海水可能是一种可持续的清洁能源。麻省理工学院的工程师发现，当汽水罐中的铝以纯净形式暴露在海水中时，溶液会冒泡并自然产生氢气——这种气体随后可用于为发动机或燃料电池提供动力，而不会产生碳排放。更重要的是，通过添加一种常见的兴奋剂：咖啡因，可以加速这一简单的反应。
　　在今天发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一项研究中，研究人员表明，他们可以通过将预处理的鹅卵石大小的铝粒放入装有过滤海水的烧杯中来生产氢气。铝用稀有金属合金进行预处理，可以有效地将铝磨成纯净的形式，然后与海水反应生成氢气。海水中的盐离子反过来可以吸引和回收合金，合金可以重复使用，以可持续的循环产生更多的氢气。
　　研究小组发现，铝和海水之间的这种反应成功产生了氢气，尽管速度很慢。为了好玩，他们往混合物里扔了一些咖啡渣，结果出乎意料地发现，反应速度加快了。
　　最后，研究小组发现，低浓度的咪唑（咖啡因中的活性成分）足以显著加速这一反应，仅用五分钟就能产生相同数量的氢气，而如果不添加兴奋剂则需要两个小时。
　　研究人员正在开发一种可以在船舶或水下航行器上运行的小型反应堆。该容器将存放铝粒（从旧汽水罐和其他铝制品中回收而来），以及少量的镓铟和咖啡因。这些成分可以定期与周围的一些海水一起注入反应堆，以按需生产氢气。然后，氢气可以为船上的发动机提供燃料，以驱动马达或发电为船舶提供动力。
　　麻省理工学院机械工程系博士生、这项研究的主要作者 Aly Kombargi 表示：“这对于船舶或水下航行器等海事应用来说非常有趣，因为你不必随身携带海水，海水随时可用。”
　　“我们也不必携带一罐氢气。相反，我们可以运输铝作为‘燃料’，然后只需添加水就能生产出我们所需的氢气。”
　　该研究的合著者包括化学工程本科生 Enoch Ellis、创立了一家回收铝作为氢燃料来源公司的 21 届博士生 Peter Godart 以及麻省理工学院机械工程教授 Douglas Hart。
　　将一颗鹅卵石大小的铝粒放入装有过滤海水的烧杯中，几分钟内就会产生氢气，氢气会冒泡并从容器中冒出。麻省理工学院的工程师们正在优化这一简单的化学反应，以高效、可持续的方式生产氢燃料，他们设想氢燃料可用于为船舶和水下航行器上的发动机或燃料电池提供动力。
　　护盾升起
　　由哈特领导的麻省理工学院团队正在开发高效、可持续的氢气生产方法，氢气被视为一种“绿色”能源，可以为发动机和燃料电池提供动力，而不会产生导致气候变暖的排放。
　　用氢气为汽车提供燃料的一个缺点是，有些设计需要将氢气像传统汽油一样装在油箱中运输——考虑到氢气的挥发性，这是一种危险的设置。哈特和他的团队一直在寻找用氢气为汽车提供动力的方法，而不必不断运输氢气本身。
　　他们在铝中找到了可能的解决方法——铝是一种天然丰富且稳定的材料，当它与水接触时会发生简单的化学反应，产生氢气和热量。
　　然而，这种反应却带来了一种矛盾：虽然铝与水混合时可以产生氢气，但只有在纯净的暴露状态下才能产生氢气。铝与氧气（例如在空气中）接触时，表面会立即形成一层薄薄的盾状氧化物层，阻止进一步反应。这种屏障就是当你将汽水罐扔进水中时氢气不会立即冒泡的原因。
　　在之前使用淡水的研究中，研究小组发现，他们可以刺穿铝的屏蔽层，并保持与水的反应，方法是用少量由特定浓度的镓和铟制成的稀有金属合金对铝进行预处理。该合金充当“活化剂”，清除任何氧化物堆积物，并形成可自由与水反应的纯铝表面。
　　当他们在新鲜的去离子水中进行反应时，他们发现一个经过预处理的铝粒在短短五分钟内就产生了 400 毫升氢气。他们估计，仅 1 克铝粒在同样的时间内就能产生 1.3 升氢气。
　　但要进一步扩大该系统的规模，需要大量供应镓铟，而镓铟相对昂贵且稀有。
　　“为了使这个想法具有成本效益和可持续性，我们必须努力回收这种合金的后反应，”Kombargi 说。
　　研究人员演示了如何将铝粒浸入镓铟混合物中来“激活”铝。图片来源：Tony Pulsone
　　在海边
　　在团队的新工作中，他们发现可以使用离子溶液回收并重新利用镓铟。离子（带电荷的原子或分子）可防止金属合金与水发生反应，并帮助其沉淀成可舀出并重新使用的形式。
　　“幸运的是，海水是一种非常便宜且容易获得的离子溶液，”Kombargi 表示，他用附近海滩的海水测试了这个想法。“我确实和一位朋友去了里维尔海滩，我们拿起瓶子装满水，然后我过滤掉藻类和沙子，向其中添加铝，它产生了同样一致的效果。”
　　他发现，当他将铝加入到装有过滤海水的烧杯中时，氢气确实冒了出来。之后他能够将镓铟舀出来。但反应比在淡水中进行得慢得多。事实证明，海水中的离子起到了屏蔽镓铟的作用，这样它就可以聚结并在反应后被回收。但这些离子对铝也有类似的作用，形成一道屏障，减缓它与水的反应。
　　为了寻找加速海水中反应的方法，研究人员尝试了各种非常规成分。
　　“我们只是在厨房里摆弄一些东西，发现当我们将咖啡渣添加到海水中并放入铝粒时，与单纯的海水相比，反应速度非常快，”Kombargi 说。
　　为了找出加速原因，研究小组联系了麻省理工学院化学系的同事，他们建议他们尝试咪唑——咖啡因中的一种活性成分，它的分子结构恰好可以穿透铝（使材料继续与水反应），同时保持镓铟的离子屏蔽完好无损。
　　“这是我们的重大胜利，”Kombargi 说。“我们得到了想要的一切：回收了镓铟，并且获得了快速有效的反应。”
　　研究人员相信，他们已经掌握了运行可持续氢反应堆的基本要素。他们计划首先在海洋和水下航行器上进行测试。他们计算出，这种反应堆装有约 40 磅铝粒，通过泵入周围的海水并产生氢气为发动机提供动力，可以为小型水下滑翔机提供约 30 天的动力。
　　“我们展示了一种生产氢燃料的新方法，不用携带氢气，而是用铝作为‘燃料’，”Kombargi 说。“下一步是研究如何将其用于卡车、火车，甚至飞机。也许，我们不必再携带水，而是可以从环境湿度中提取水来生产氢气。这是未来的发展方向。”

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