Generación eficiente de hidrógeno a partir del agua con aluminio
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.
En experimentos realizados por investigadores de la Universidad de California Santa Cruz (UCSC) se muestra cómo el galio se recuperó fácilmente para su reutilización después de la reacción, lo que produce el 90 % del hidrógeno que, teóricamente, podría producirse a partir de la reacción de todo el aluminio en el material compuesto.
"No necesitamos ninguna entrada de energía, y burbujea hidrógeno como loco. Nunca había visto algo así", dijo en un comunicado el profesor de química de la UCSC, Scott Oliver.
Oliver y Bakthan Singaram, profesor de química y bioquímica, son los autores correspondientes de un artículo sobre los nuevos hallazgos, publicado en 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.
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.
Singaram dijo que el estudio surgió de una conversación que tuvo con un estudiante, el coautor Isai López, que había visto algunos videos y comenzó a experimentar con la generación de hidrógeno con aluminio y galio en la cocina de su casa.
"Él no lo estaba haciendo de una manera científica, así que lo puse con un estudiante de posgrado para hacer un estudio sistemático. Pensé que sería una buena tesis para él medir la producción de hidrógeno a partir de diferentes proporciones de galio y aluminio", dijo Singaram.
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 Singaram descubrió 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.
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. "El galio separa las nanopartículas y evita que se agreguen en partículas más grandes", dijo Singaram. "La gente ha luchado para hacer nanopartículas de aluminio, y aquí las estamos produciendo en condiciones normales de presión atmosférica y temperatura ambiente".
Hacer el compuesto no requirió nada más que una simple mezcla manual. "Nuestro método utiliza una pequeña cantidad de aluminio, lo que garantiza que todo se disuelva en la mayoría de galio como nanopartículas discretas", dijo Oliver. "Esto genera una cantidad de hidrógeno mucho mayor, casi completa en comparación con el valor teórico basado en la cantidad de aluminio. También facilita la recuperación de galio para su reutilización".
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.
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