“MIT利用铝”

盖西汽车新闻正在全球摆脱化石燃料，许多研究者正在研究清洁氢气燃料是否在交通、工业、建筑、发电等行业中发挥更大的作用。 因为氢燃料可以用于燃料电池车、供热锅炉、发电燃气轮机、储存可再生能源的系统等。

虽然采用氢气不会产生碳排放，但制造氢气通常会产生碳排放。 目前，大部分氢气都是由基于化石燃料的工艺制造的，这类工艺产生的温室气体占全球总排放量的2%以上。 另外，需要在一个地方生产氢气，在另一个地方消耗氢气，这在物流方面也提出了挑战。

mit研究者(图像来源: mit ) ) )。

有快速发展前景的反应

据外国媒体报道，美国麻省理工学院发现了另一种制造氢气的选择。 是使用铝和水的反应。 金属铝在室温下容易与水反应生成氢氧化铝和氢，但发生这种反应的概率并不高。 因为它被金属原料自然覆盖，阻止与水直接接触。

使用铝-水反应生成氢气不会排放温室气体，有水的地方的交通问题有望得到解决。 只要移动铝使其与现场的水发生反应即可。 麻省理工学院机械工程系教授douglas p. hart表示:“从根本上说，铝已成为贮氢机制，是一种非常有效的机制。 铝作为资源用于储存氢，其密度是作为压缩气体储存的氢的10倍。 ”

但是，存在妨碍铝成为安全、经济的制氢源的两个问题。 一个问题是，为了容易与水反应，有必要清洁铝表面。 因此，实用的系统需要首先改变氧化层，然后在反应时不再次形成氧化层的方法。

二是纯铝开采和生产是能源密集型过程。 因为这种实用的方法需要使用各种各样的废铝。 但是，废铝不是好的原材料，一般以合金的形式出现。 也就是说，它含有其他元素。 这种元素的添加是为了改变铝的属性和特征，用于不同的用途。 例如，添加镁可以提高强度和耐腐蚀性，添加硅可以降低熔点，两者都可以添加中等强度、耐腐蚀性优良的合金。

作为制氢源有很多关于铝的研究，但存在以下两个重要问题2、铝表面不形成氧化层的最佳方法是什么，废铝中的合金是如何影响制备的氢的总量和速度的？

目前尚不清楚该反应的基本步骤，因此很难预测废铝生成氢的速度和总量。 因为废铝可能含有类型和浓度不同的合金元素。 为此，hart、meroueh、麻省理工学院材料科学与工程系材料工程与工程管理教授thomas w. eagar用系统的方法研究了这类合金元素对铝-水反应的影响，研究了具有快速发展前景的抗氧化层形成技术。

为此，研究人员请诺贝尔公司的专家制作了纯铝和特定的铝合金样品。 该合金由商用纯铝和0.6%的硅(按重量计算)、1%的镁、或两者结合而成，这些成分都是各种废铝中的普遍成分。 利用这样的样本，mit的研究者进行了一系列的测试，探索了铝-水反应的各个方面。

铝的预先解决

第一步是说明铝有比较有效的方法穿透空气体中形成的氧化层。 固体铝由微小的粒子构成，这种粒子堆积后，偶尔会有边界，无法完美排列。 为了最大限度地提高氢气的产量，需要防止在这种粒子的内表面形成氧化层。

研究小组尝试了各种各样的方法来保持铝粒子的活跃性以与水发生反应。 也有将废铝的样品破碎制成粒子，使之不附着氧化层的。 但是，铝粉非常危险，一旦与湿度发生反应就会爆炸。 另一种方法是粉碎废铝样品，添加液态金属防止氧化物堆积，但研磨本身是一个昂贵、能量密集型的工艺。

对研究者来说，最有快速发展前景的做法是hart研究组前员工jonathan slocum scd '； 18首次提出通过在表面涂布液态金属初步解决固态铝，使液态金属渗透晶界。

为了明确这种方法是否有效，无论有无合金元素，都需要确认液体金属能够到达晶粒内部，另外，需要明确液体金属将粒子整体包裹在纯铝和合金上需要多长时间。

研究人员首先将镓和铟这两种金属以特定的比例结合，制成了“共晶”混合物，即能够在室温下保持液态的混合物。 然后，将该共晶混合物涂在样品上，等待48至96小时后渗透到样品中。 随后，研究人员将样品暴露在水中，消耗250分钟，监测氢气产率(形成总量)和流速。 48小时后，研究人员还拍摄了高倍率扫描电镜( sem )图像，注意相邻铝晶粒之间的边界。

根据测量出的氢气产量和sem图像，麻省理工学院的研究小组得出的结论是，镓-铟共晶确实会自然渗透，到达内部晶粒的表面。 但是，渗透的速度和程度因合金而异。 掺硅铝样品的渗透速度与纯铝的渗透速度相同，但掺镁铝样品的渗透速度较慢。

也许最感兴趣的是硅和镁混合铝样品的结果，镁是在回收过程中经常发现的铝合金。 硅和镁通过化学键形成镁硅化物，作为固体沉淀物堆积在内部晶粒表面。 这样的堆积物被认为在硅和镁存在于废铝中时，起到阻止镓-铟共晶混合物流动的屏障的作用。

实验和图像也确认了固体沉积物确实起到了屏障的作用，用48小时事先解决的样本图像假定渗透还没有完成。 很明显，长期的预先解决对含硅和镁的废铝的氢产量至关重要。

合金元素对氢制造的影响

其次，研究了合金元素如何影响氢气的产生。 他们用共晶混合物测试了解决96小时的样品，发现所有样品的氢气产率和流速稳定。

硅含量为0.6%时，即使含硅铝样品的铝含量少于纯铝样品，规定重量的铝的产氢率也提高了20%。 相比之下，镁含量为1%的铝样品产氢少得多，添加硅和镁的铝样品均提高了氢产量，但达不到纯铝的水平。

硅也大大加快了反应速度，产生了更高的流量峰，但缩短了持续输出氢的时间。 镁虽然实现了低流量，但可以随着时间的经过稳定地输出氢气。 另外，含有两种合金元素的铝的流速介于掺杂镁的铝和纯铝之间。

这样的实验结果为如何调整氢气产量以适应氢气消耗装置的运行提供了实践指导。 如果起始材料为商用纯铝，可以通过加入少量经过严格筛选的合金元素定制氢气产量和流量。 起始材料为废铝时，仔细选择酱汁非常重要。 要生成暂时且高强度的氢气，汽车废弃物场的含硅铝片能很好地发挥作用。 虽然费时间，但需要流量低的氢气时，也许使用从解体的建筑框中取出的含镁废铝比较好。 介于两者之间，含有硅和镁的铝的效果较好时； 这种材料出现在废弃的汽车、摩托车、游艇、自行车棚、甚至高端智能手机箱中。

另一个调整的机会是缩小晶粒的尺寸

影响氢气生产的另一个实用方法是缩小铝粒子的尺寸，这种变化会增加可反应的总表面积。

为了研究这种方法，研究人员要求供应商提供特别定制的样本。 诺里斯企业的专家们使用标准的工业流程，首先将各样品通过两个滚筒输送，从上部和下部挤出，将内部的粒子拉平。 然后加热每个样品，重新组织长而平的粒子，缩小到目标尺寸。

在一系列仔细的实验中，麻省理工学院的团队发现，在不同的样本中，减小晶粒尺寸在一定程度上提高了效率，缩短了反应的持续时间。 同样，特定的合金元素也对结果有很大的影响。

必要的东西:能够说明观测结果的修正理论

通过实验过程，研究者遇到了一些意想不到的结果。 例如，标准腐蚀理论预测纯铝比掺杂硅的铝产生更多的氢，这与实验中注意到的情况相反。

为了弄清潜在的化学反应，研究人员研究了氢“通量”，即随着时间的推移，从铝表面(包括内部粒子)每平方厘米产生的氢的总量。 研究人员检查了4种成分的3种晶粒尺寸，收集了测量氢通量的数千个数据点。

结果表明，减小晶粒尺寸有很大的效果。 掺杂硅的铝的氢通量峰值可以增加100倍，而含有其他3种成分的铝的氢通量峰值可以增加10倍。 对于纯铝和含硅铝，减小晶粒直径后，峰值通量的延迟得到缓和，随后的下降速度增加。 在含镁铝中，缩小晶粒尺寸后，氢通量的峰值增加，后期的氢输出速度下降稍快。 对于同时含有镁和硅的铝，氢通量的时间变化类似于不控制晶粒尺寸时含镁铝的氢通量。 随着晶粒的尺寸变小，氢输出的优势开始变得像含硅铝一样。 这是因为，出乎意料的是，当硅和镁存在时，它们会发生反应形成镁硅化物，从而产生具有独特特征的新铝合金。

研究人员表示，对相关的潜在化学反应有更好的基础认知是有益的。 除了指导实际系统的设计外，还可以帮助研究者在预先解决混合物中找到昂贵的铟替代品。 其他研究表明，镓自然渗透到铝的晶界。

但是，研究人员展示了一种调整两种氢气反应速度的实用方法:向铝中添加特定元素，控制内部铝粒子的大小。 两种做法结合起来，可以产生很大的效果。