Químicos de la UCSC desarrollan galio

Químicos de la UC Santa Cruz han desarrollado un método simple para fabricar nanopartículas de aluminio que dividen el agua y generan gas hidrógeno rápidamente en condiciones ambientales. La reacción de división del agua no requiere un potencial aplicado y funciona en condiciones ambientales y pH neutro para generar rápidamente 130 ml (5,4 mmol) de hidrógeno por gramo de aleación. Se publica un artículo sobre su trabajo en la revista ACS Applied Nano Materials.

El aluminio es un metal altamente reactivo que puede extraer el oxígeno de las moléculas de agua para generar gas hidrógeno. Su uso generalizado en productos que se mojan no representa ningún peligro porque el aluminio reacciona instantáneamente con el aire para adquirir una capa de óxido de aluminio, que bloquea reacciones posteriores.

Durante años, los investigadores han tratado de encontrar formas eficientes y rentables de utilizar la reactividad del aluminio para generar combustible de hidrógeno limpio. Un nuevo estudio realizado por investigadores de la UCSC muestra que un compuesto de galio y aluminio que se produce fácilmente crea nanopartículas de aluminio que reaccionan rápidamente con el agua a temperatura ambiente para producir grandes cantidades de hidrógeno. El galio se recuperó fácilmente para su reutilización después de la reacción, lo que produce el 90 % del hidrógeno que, en teoría, podría producirse a partir de la reacción de todo el aluminio del compuesto.

No necesitamos ninguna entrada de energía, y burbujea hidrógeno como loco. Nunca he visto algo así.

Las burbujas de hidrógeno gaseoso se generan a partir de la reacción del agua con un compuesto de aluminio y galio. Las películas de la reacción están disponibles en línea. (Crédito: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

La reacción del aluminio y el galio con el agua se conoce desde la década de 1970, y es fácil encontrar videos en línea. Funciona porque el galio, un líquido justo por encima de la temperatura ambiente, elimina la capa pasiva de óxido de aluminio, lo que permite el contacto directo del aluminio con el agua. El nuevo estudio, sin embargo, incluye varias innovaciones y hallazgos novedosos que podrían conducir a aplicaciones prácticas.

Está pendiente una solicitud de patente estadounidense sobre esta tecnología. La presentación internacional (PCT) en la que se basó se encuentra aquí.

Los estudios anteriores habían utilizado principalmente mezclas de aluminio y galio ricas en aluminio o, en algunos casos, aleaciones más complejas. Pero el laboratorio de Bakthan Singaram, profesor de química y bioquímica y coautor del estudio, encontró que la producción de hidrógeno aumentó con un compuesto rico en galio. De hecho, la tasa de producción de hidrógeno fue tan inesperadamente alta que los investigadores pensaron que debía haber algo fundamentalmente diferente en esta aleación rica en galio.

Oliver sugirió que la formación de nanopartículas de aluminio podría explicar el aumento de la producción de hidrógeno, y su laboratorio tenía el equipo necesario para la caracterización a nanoescala de la aleación. Usando microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X, los investigadores mostraron la formación de nanopartículas de aluminio en un compuesto de galio-aluminio 3: 1, que encontraron que era la proporción óptima para la producción de hidrógeno.

La microscopía electrónica de barrido del compuesto muestra nanopartículas de aluminio en una matriz de galio. (Crédito: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

En este compuesto rico en galio, el galio sirve tanto para disolver el revestimiento de óxido de aluminio como para separar el aluminio en nanopartículas.

Hacer el compuesto no requirió nada más que una simple mezcla manual. El material compuesto se puede fabricar con fuentes de aluminio fácilmente disponibles, incluidas láminas o latas usadas, y el material compuesto se puede almacenar durante períodos prolongados cubriéndolo con ciclohexano para protegerlo de la humedad.

Aunque el galio no abunda y es relativamente caro, se puede recuperar y reutilizar varias veces sin perder eficacia, dijo Singaram. Sin embargo, queda por ver si este proceso se puede ampliar para que sea práctico para la producción comercial de hidrógeno.

Este trabajo fue parcialmente apoyado por fondos de la Fundación Ima Hernandez.

Recursos

Gabriella Amberchan, Isai Lopez, Beatriz Ehlke, Jeremy Barnett, Neo Y. Bao, A'Lester Allen, Bakthan Singaram y Scott RJ Oliver (2022) "Nanopartículas de aluminio de un compuesto de Ga-Al para la división del agua y la generación de hidrógeno" ACS aplicado Nano materiales doi: 10.1021/acsanm.1c04331

Publicado el 22 febrero 2022 en Hidrógeno, Producción de hidrógeno, Nanotecnología | Enlace permanente | Comentarios (6)