UCSC-Chemiker entwickeln Gallium

Chemiker der UC Santa Cruz haben eine einfache Methode zur Herstellung von Aluminium-Nanopartikeln entwickelt, die unter Umgebungsbedingungen schnell Wasser spalten und Wasserstoffgas erzeugen. Die Wasserspaltungsreaktion erfordert kein angelegtes Potenzial und funktioniert bei Umgebungsbedingungen und neutralem pH-Wert, um schnell 130 ml (5,4 mmol) Wasserstoff pro Gramm Legierung zu erzeugen. Ein Artikel über ihre Arbeit ist in der Zeitschrift ACS Applied Nano Materials veröffentlicht.

Aluminium ist ein hochreaktives Metall, das Wassermolekülen Sauerstoff entziehen kann, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Seine weit verbreitete Verwendung in Produkten, die nass werden, stellt keine Gefahr dar, da Aluminium sofort mit Luft reagiert und eine Aluminiumoxidschicht bildet, die weitere Reaktionen blockiert.

Seit Jahren versuchen Forscher, effiziente und kostengünstige Möglichkeiten zu finden, die Reaktivität von Aluminium zur Erzeugung sauberen Wasserstoffkraftstoffs zu nutzen. Eine neue Studie der Forscher am UCSC zeigt, dass ein leicht herzustellender Verbundwerkstoff aus Gallium und Aluminium Aluminium-Nanopartikel erzeugt, die bei Raumtemperatur schnell mit Wasser reagieren und große Mengen Wasserstoff erzeugen. Das Gallium konnte nach der Reaktion leicht zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden, was 90 % des Wasserstoffs ergibt, der theoretisch durch die Reaktion des gesamten Aluminiums im Verbundstoff erzeugt werden könnte.

Wir brauchen keine Energiezufuhr und der Wasserstoff blubbert wie verrückt. So etwas habe ich noch nie gesehen.

Durch die Reaktion von Wasser mit einem Aluminium-Gallium-Verbundstoff entstehen Wasserstoffgasblasen. Filme der Reaktion sind online verfügbar. (Quelle: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

Die Reaktion von Aluminium und Gallium mit Wasser ist seit den 1970er Jahren bekannt und Videos davon sind online leicht zu finden. Es funktioniert, weil Gallium, eine Flüssigkeit mit knapp über Raumtemperatur, die passive Aluminiumoxidschicht entfernt und so den direkten Kontakt von Aluminium mit Wasser ermöglicht. Die neue Studie enthält jedoch mehrere Innovationen und neue Erkenntnisse, die zu praktischen Anwendungen führen könnten.

Für diese Technologie ist eine US-Patentanmeldung anhängig. Die zugrunde liegende internationale (PCT-)Anmeldung finden Sie hier.

In früheren Studien wurden meist aluminiumreiche Mischungen aus Aluminium und Gallium oder in einigen Fällen komplexere Legierungen verwendet. Aber das Labor von Bakthan Singaram, Professor für Chemie und Biochemie und Mitautor der Studie, stellte fest, dass die Wasserstoffproduktion mit einem galliumreichen Verbundwerkstoff zunahm. Tatsächlich war die Geschwindigkeit der Wasserstoffproduktion so unerwartet hoch, dass die Forscher dachten, es müsse etwas grundlegend anderes an dieser galliumreichen Legierung geben.

Oliver vermutete, dass die Bildung von Aluminium-Nanopartikeln für die erhöhte Wasserstoffproduktion verantwortlich sein könnte, und sein Labor verfügte über die Ausrüstung, die für die Charakterisierung der Legierung im Nanomaßstab erforderlich war. Mittels Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung zeigten die Forscher die Bildung von Aluminium-Nanopartikeln in einem 3:1-Gallium-Aluminium-Verbundwerkstoff, was ihrer Meinung nach das optimale Verhältnis für die Wasserstoffproduktion darstellt.

Die Rasterelektronenmikroskopie des Verbundwerkstoffs zeigt Aluminium-Nanopartikel in einer Galliummatrix. (Quelle: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

In diesem galliumreichen Verbundwerkstoff dient das Gallium sowohl zur Auflösung der Aluminiumoxidbeschichtung als auch zur Zerlegung des Aluminiums in Nanopartikel.

Für die Herstellung des Verbundwerkstoffs war lediglich einfaches manuelles Mischen erforderlich. Der Verbundwerkstoff kann aus leicht verfügbaren Aluminiumquellen, einschließlich gebrauchter Folie oder Dosen, hergestellt werden, und der Verbundwerkstoff kann über längere Zeiträume gelagert werden, indem man ihn mit Cyclohexan bedeckt, um ihn vor Feuchtigkeit zu schützen.

Obwohl Gallium nicht reichlich vorhanden und relativ teuer ist, kann es mehrfach zurückgewonnen und wiederverwendet werden, ohne an Wirksamkeit zu verlieren, sagte Singaram. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob dieser Prozess so skaliert werden kann, dass er für die kommerzielle Wasserstoffproduktion praktikabel ist.

Diese Arbeit wurde teilweise durch Mittel der Ima Hernandez Foundation unterstützt.

Ressourcen

Gabriella Amberchan, Isai Lopez, Beatriz Ehlke, Jeremy Barnett, Neo Y. Bao, A'Lester Allen, Bakthan Singaram und Scott RJ Oliver (2022) „Aluminum Nanoparticles from a Ga-Al Composite for Water splitting and Hydrogen Generation“ ACS Applied Nanomaterialien doi: 10.1021/acsanm.1c04331

Gepostet am 22. Februar 2022 in Wasserstoff, Wasserstoffproduktion, Nanotechnologie | Permalink | Kommentare (6)