Пока весь мир разрабатывает топливные элементы и говорит о водородной энергетике будущего, скептики не устают повторять, что до сих пор у человечества не существует дешевого способа получения водорода. Современным методом получения является электролиз воды, однако для его осуществления в глобальных масштабах потребуется уйма электричества.
Основные надежды человечество возлагает на проект термоядерного синтеза, который должен открыть людям неисчерпаемый источник энергии, однако прогнозировать дату вступления первого токамака в строй до сих пор никто не берется. Кроме того, ученые пытаются приспособить бактерии для выработки водорода из пищевых и промышленных отходов, а еще пытаются имитировать процесс фотосинтеза, разделяющий воду на водород и кислород в растениях. Все эти методы пока еще очень далеки от промышленной реализации.
Американские ученые, похоже, научились получать водород в больших количествах при реакции алюминия с водой.
Разработчики из Университета Пердью создали новый сплав металлов, обогащенный алюминием, который может быть весьма эффективен в процессе выработки водорода. Использование этого сплава, кроме прочего, экономически оправдано, и такой метод может уже в скором времени составить конкуренцию современным видам топлива, используемым в транспортной и энергетической индустрии.
Ученые из Пенсильванского университета создали прототип устройства, использующего солнечный свет для прямого разложения воды на водород и кислород.
Устройство еще очень не эффективно, однако по представлениям специалистов КПД подобной каталитической установки может быть легко доведен то 10, а то и 15 процентов. Разработка подобных приборов весьма перспективна и заманчива, так как водородная энергетика будущего будет смертельно нуждаться в простых и дешевых методах получения водорода из воды.
Солнечный топливный элемент, а именно к такому типу устройств относится инновация, обладает такой низкой эффективностью в связи с тем, что ученые не научились в полной мере использовать видимый диапазон электромагнитных волн в процессе фоторазложения воды, имитирующего естественный процесс фотосинтеза в растениях. Растения используют целый набор различных красителей, одним из главных среди которых является хлорофилл.
Кроме того, грубо копируя природный процесс, ученые до сих пор не научились надлежащим образом разделять в пространстве выделяющиеся на катализаторе кислород и водород, которые, выделяясь, так же быстро вступают и в обратный каталитический процесс рекомбинирования с образованием воды.
Автором новой биомиметической работы по копированию процесса фотосинтеза является профессор Тома Маллоук и его коллеги из Аризонского университета. Основой их работы является комплексное соединение, кластер которого состоит из центрального каталитического ядра на основе оксида иридия, окруженного молекулами оранжево-красных красителей. Красители такого цвета поглощают в диапазоне голубых волн, обладающих наибольшей энергией.
Созданное устройство для разделения воды на водород и кислород обладает эффективностью порядка 0,3%. Тем не менее, ученые полны оптимизма, и уже наметили массу дальнейшей фундаментальной работы по улучшению катализатора и всей установки. Доклад о новом методе генерирования водорода с помощью фотосинтетического подхода прозвучал на совещании Американского общества содействию развития науке в Бостоне.
Новый сплав на 95% состоит из алюминия, а на оставшиеся 5% — из сложного сплава галлия, индия и олова. Хотя галлий и является очень редким и дорогим элементом, его количества в сплаве настолько малы, что стоимость сплава, и особенно стоимость его эксплуатации, может быть коммерчески выгодной.
При внесении этого сплава в воду алюминий вступает в реакцию окисления, в результате которой выделяется водород и тепловая энергия, а алюминий переходит в форму оксида.
2Al + 3H2O --> 3H2 + Al2O3 + Q
Из школьного курса химии каждому должно быть известно, что алюминий — чрезвычайно активный металл и легко вступает в реакцию с водой, высвобождая водород в ходе собственного окисления. Однако использование алюминия в быту, и особенно в качестве посуды для приготовления пищи, абсолютно безопасно, так как на поверхности алюминия всегда есть тончайшая, но очень прочная и инертная оксидная пленка Al2O3, из-за которой заставить алюминий вступить в реакцию с водой не так уж и легко.
Сплав индия, галлия и олова является критическим компонентом для технологии Вудолла: он препятствует образованию этой оксидной пленки и позволяет алюминию количественно вступить в реакцию с водой.
Кроме водорода ценным продуктом реакции является и тепловая энергия, которая также может быть использована. Оксид алюминия и более инертный сплав галлия, индия и олова может быть впоследствии восстановлен в ходе известного промышленного процесса, таким образом, замкнутый цикл может снизить стоимость выработки энергии, в пересчете на отечественные деньги, до менее чем 2 рублей за киловатт-час.
Заслуга химиков-технологов в том, что они не только смогли проделать титаническую работу по подбору химического состава алюминиевого сплава, но и научились контролировать его микроструктуру, которая и является ключом к функционализации материала.
строение металла, выявляемое с помощью микроскопа (оптического или электронного).
Микроскоп для исследования металла впервые применил П. П. Аносов (1831) при изучении булатной стали. Металлы и сплавы состоят из большого числа кристаллов неправильной формы (зёрен), чаще всего неразличимых невооружённым глазом. Зёрна имеют округлую или вытянутую форму, могут быть крупными либо мелкими и располагаться друг относительно друга в определённом порядке или случайно. Форма, размеры и взаимное расположение, а также ориентировка зёрен зависят от условий их образования. Часть микроструктуры, имеющая однообразное строение, называемое структурной составляющей.
Количественное соотношение структурных составляющих сплава определяется его химическим составом и условиями нагрева и охлаждения. Микроструктура характеризуется также расположением и количеством некоторых дефектов кристаллической решётки. От микроструктуры зависят многие механические и физические свойства материала.
Именно такая двухфазная композиция и определяет способность алюминия в данном сплаве вступать в реакцию с водой при нормальных условиях, а потому является критичной для всей технологии.
Кроме того, как оказалось, данный материал может быть получен в двух разных формах в зависимости от способа охлаждения расплавленной смеси металлов. Судя по всему, при быстром охлаждении (закалке) кристаллическая структура раствора не успевает перестроиться, в результате чего образец на выходе получается практически однофазным. Сплав Вудолла в такой форме не вступает в реакцию с водой до тех пор, пока не будет смочен расплавленной смесью галлия, индия и олова.
Однако обнаружив способность такого смоченного материала вступать в реакцию с водой при нормальных условиях, ученые изрядно воодушевились и спустя некоторое время обнаружили способность расплава, обогащенного алюминием, кристаллизоваться при медленном охлаждении в двухфазной форме. Такой материал способен вступать в реакцию с водой уже без участия жидкого сплава галлия, индия и олова. Как полагают ученые, определяющим фактором в препятствии для образования пленки оксида на поверхности материала является микроструктура материалов на поверхности раздела между двумя фазами, образующими материал.
(Gallium) Ga, химический элемент 13-й (IIIa) группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,72. Галлий – типичный рассеянный элемент, иногда его также относят и к редким. В природе галлий, в основном, тяготеет к своим ближайшим соседям по периодической системе – алюминию, цинку и германию. Галлий является постоянным спутником алюминия, благодаря близости химических свойств, ионных радиусов и потенциалов ионизации. Основные мировые резервы галлия связывают с месторождениями бокситов, запасы которых настолько велики, что не будут истощены в течение многих десятилетий. Однако большая часть галлия, содержащегося в боксите, остается недоступной вследствие недостатка производственных мощностей, объем которых диктуется экономическими причинами. Реальные запасы галлия трудно поддаются оценке. По мнению специалистов U.S. Geological Surveys мировые ресурсы галлия, связанные с месторождениям бокситов, составляют 1 млн. тонн. Значительными запасами галлия обладают Китай, США, Россия, Украина, Казахстан.
Почти весь (95%) производимый галлий переводится в арсенид. Арсенид галлия GaAs – темно-серое кристаллическое вещество с фиолетовым оттенком.
GaAs + 3HCl = GaCl3 + AsH3
Кристаллический арсенид галлия был впервые синтезирован в 1954, и сразу же было обнаружено, что он является полупроводником. Как и кремний, арсенид галлия применяется для создания различных полупроводниковых приборов. На интегральные схемы на основе арсенида галлия расходуется до 40% производимого галлия. GaAs-микросхемы примерно на порядок дороже, чем кремниевые (это связано со сложностью получения монокристаллов), но обладают гораздо большей производительностью.В быстродействующих интегральных схемах сейчас нет альтернатив арсениду, тогда как в других областях он может быть заменен другими материалами. Сейчас разрабатываются технологии создания смешанных Si-GaAs чипов, которые позволят добиться высокой скорости работы в сочетании с относительной дешевизной.
Кроме того, Арсенид галлия исопльзуется в фотоэлементах, полупроводниковых источниках света (LED) и вряде других электротехнических приложений.
Сплав индия, галлия и олова является инертным компонентом и не участвует в реакции, так что после окончания реакции может быть использован заново практически без потерь.
Оксид алюминия также является очень удобной субстанцией для проведения его электрохимического восстановления в соответствии с процессом Холла-Эру, повсеместно используемого в алюминиевой промышленности в настоящее время:
2Al2O3 + 3С = 4Al + 3CO2
По словам учёных, восстановление алюминия из оксида, получающегося при производстве водорода, даже дешевле, чем его стандартное производство из бокситов, хотя полный цикл из алюминия в алюминий, разумеется, затратен — вечный двигатель учёные создавать не собирались.
В принципе, для внедрения технологии Вудолла, пока еще не описанной в научных публикациях, не требуется новых инноваций — необходимо лишь наладить инфраструктуру доставки сплава к конечному потребителю и организовать процесс его восстановления с использованием хорошо освоенных промышленностью методов получения металлического алюминия.
Алюминий является самым распространенным металлом на Земле. Кроме того, побочным продуктом разработки бокситных руд — минералов, содержащих алюминий, является как раз галлий — самый ценный компонент сплава Вудолла.
Сам ученый, награжденный в прошлом высшей наградой в области технологии в США, отмечает наряду с проблемами чисто экономического характера и необходимость проведения дополнительных экспериментов по влиянию состава и в особенности микроструктуры на поверхности раздела фаз в новом материале на его свойства. Такие работы вполне могут позволить в будущем перейти к использованию более дешевых и доступных металлов, чем галлий.
