新的反應過程是由麻省理工學院的機械工程教授開發的。隨着低碳氫燃料的生產對全球脫碳的努力變得越來越重要，一種使用鋁和水生產氫氣的新方法已經被開發出來。
一個有希望的反應
氫能源面臨的主要挑戰之一是清潔生產，但同時也要經濟實惠。使用鋁和水生產的新型氫燃料可能非常有前景。原因是鋁在室溫下就會與水發生反應，不存在重大的技術挑戰。反應結果是氫氣和氫氧化鋁。在我們的日常生活中，水和鋁都被廣泛使用，但這種反應並不總是發生，原因是：原始的金屬鋁自然地覆蓋了一層氧化鋁。這一氧化層阻止了鋁金屬本身直接接觸水。
通過使用鋁和水來產生氫氣，整個過程不會排放任何溫室氣體。此外，像這樣的技術可以幫助克服任何有水的地方的交通挑戰。任何已經有水的地方只需要引入鋁，就可以在現場產生反應生成氫氣。
採用鋁和水相結合的氫燃料制氫方法可使氫氣更具實用性。麻省理工學院機械工程教授道格拉斯·P·哈特說：“從根本上說，鋁能夠成為一種儲存氫的機制，而且是一種非常有效的機制。使用鋁作為我們的原料，我們可以變相的‘存儲’氫，其密度是我們以壓縮氣體的形式存儲的10倍。”
到目前為止，有兩個問題阻礙了將鋁用於這一目的：
首先，要確保金屬鋁表面是乾淨的，這樣它才能與水發生反應。在這方面，首先必須採用一種實用的方法來改性鋁的氧化層。然後，在反應發生時，還必須有一種防止它重新形成的方法。
其次，與鋁有關的問題是，這種金屬的開採和生產過程是能源密集型的。因此，任何使用這種金屬的可行方法都需要集中使用各種來源的廢鋁。不幸的是，廢金屬很難作為原料，因為它們通常是一種含有其他元素的合金，以滿足其最初用途。
Laureen Meroueh博士
“如果我們要在實際應用中使用廢鋁產生氫氣，我們需要能夠更好地預測我們將從鋁水反應中觀察到的氫氣產生特性，”Laureen Meroueh博士說，去年，她獲得了機械工程博士學位。
由於反應的基本步驟尚不清楚，因此很難預測從廢鋁中形成氫的速率和體積，其中可能包含不同類型和濃度的合金元素。因此，Hart、Meroueh和麻省理工學院材料科學與工程系教授Thomas W. Eagar決定以系統的方式研究這些合金元素對鋁水反應的影響，以及防止形成氧化層的技術。
為了準備，他們讓Novelis Inc.的專家製造了純鋁和特定的鋁合金樣品，這些樣品由商業純鋁與0.6%的硅（按重量計）、1%的鎂或兩者混合製成——這是典型的廢鋁成分。麻省理工學院的研究人員使用這些樣品進行了一系列測試，以探索鋁水反應的不同方面。
鋁材預處理
第一步是展示一種有效的方法來穿透鋁金屬表面形成的氧化層。固體鋁由微小的顆粒組成，這些顆粒與邊界不完全對齊。為了最大限度地提高氫氣產量，研究人員需要防止在所有這些內部晶粒表面上形成氧化層。
研究小組已經嘗試了各種方法來保持鋁顆粒“活化”以與水反應。有些人將廢料樣品粉碎成非常小的顆粒，以至於氧化層無法粘附。但是鋁粉是危險的，因為它們會與濕氣發生反應並爆炸。另一種方法是磨碎廢料樣品並添加液態金屬以防止氧化物沉積。但研磨是一個昂貴且耗能的過程。
對Hart、Meroueh和Eagar而言，最有前途的方法（由Jonathan Slocum在Hart的研究小組工作時首次引入）涉及通過在頂部塗上液態金屬來預處理固體鋁，並讓它們滲透到晶界。
為了確定這種方法的有效性，研究人員需要確認液態金屬會到達內部晶粒表面，無論是否存在合金元素。他們必須確定液態金屬需要多長時間才能覆蓋純鋁及其合金的所有顆粒。
他們首先將兩種金屬——鎵和銦——按特定比例混合，形成一種“共晶”混合物；也就是說，在室溫下會保持液態的混合物。他們在樣品上塗上共晶，並允許其滲透48到96小時。然後他們將樣品暴露在水中並監測氫氣產量和流速250分鐘。48小時後，他們還拍攝了高倍掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像，以便觀察相鄰鋁晶粒之間的邊界。
根據氫產率測量值和SEM圖像，麻省理工學院團隊得出結論，鎵-銦共晶物確實會自然滲透併到達內部晶粒表面。然而，滲透的速度和程度因合金而異。摻硅鋁樣品的滲透速率與純鋁樣品相同，但在摻鎂樣品中較慢。
也許最有趣的是摻雜硅和鎂的樣品的結果——這是一種經常在回收材料中發現的鋁合金。硅和鎂化學鍵合形成硅化鎂，它作為固體沉積物出現在內部晶粒表面。Meroueh假設，當廢鋁中同時存在硅和鎂時，這些沉積物可以充當阻礙鎵-銦共晶流動的屏障。
實驗和圖像證實了她的假設：固體沉積物確實起到了屏障的作用，預處理48小時的樣品圖像顯示滲透不完全。顯然，長時間的預處理對於最大限度地提高來自含硅和鎂的鋁廢料的氫氣產量至關重要。
Meroueh列舉了他們使用的過程的幾個好處。“你不需要為鎵-銦共晶物施加任何能量就可以在鋁上發揮它的魔力並去除氧化層，”她說。“一旦你激活了你的鋁，你就可以把它放在水中，它會產生氫氣——不需要能量輸入。”更好的是，共晶不會與鋁發生化學反應。“它只是在顆粒之間移動，”她說。“在這個過程結束時，我可以回收我投入的所有鎵和銦並再次使用它們”——這是一個有價值的特徵，因為鎵和銦價格昂貴且供應相對短缺。
合金元素對產氫的影響
研究人員接下來研究了合金元素的存在如何影響氫氣的產生。他們測試了經過共晶處理96小時的樣品；到那時，所有樣品的氫氣產量和流速都已趨於平穩。
與純鋁相比，0.6%硅的存在使給定重量鋁的產氫率增加了20%——即使含硅樣品的鋁含量低於純鋁樣品。相比之下，1%鎂的存在產生的氫要少得多，同時添加硅和鎂會提高產率，但沒有達到純鋁的水平。
硅的存在也大大加快了反應速度，在流速中產生了更高的峰值，但縮短了氫氣輸出的持續時間。鎂的存在產生了較低的流速，但允許氫氣輸出隨着時間的推移保持穩定。再一次，含有兩種合金元素的鋁產生氫的流速介於摻鎂和純鋁之間。
這些結果為如何調整氫氣輸出以匹配耗氫裝置的運行需要提供了實用指導。如果起始材料是商業純鋁，則添加少量精心挑選的合金元素可以調整氫氣產量和流速。如果起始材料是廢鋁，仔細選擇原料可能是關鍵。對於高而短暫的氫氣爆發，來自汽車垃圾場的含硅鋁片可以很好地工作。對於較低但較長的流量，來自已拆除建築物框架的含鎂廢料可能更好。對於介於兩者之間的結果，含有硅和鎂的鋁應該效果很好；這種材料可以從報廢的汽車和摩托車、遊艇、自行車車架，甚至智能手機殼中大量獲得。
Meroueh指出，還可以結合不同的鋁合金廢料來調整結果。“如果我有一個僅含有硅的活性鋁樣品和另一個僅含有鎂的樣品，我可以將它們都放入盛有水的容器中，讓它們發生反應，”她說。“所以我從硅中獲得了氫氣產量的快速上升，然後鎂接管並具有穩定的輸出。”
這種材料可以從報廢的汽車和摩托車、遊艇、自行車車架，甚至智能手機殼中大量獲得
另一個調整機會：減小晶粒尺寸
影響氫氣產量的另一種實用方法可能是減小鋁晶粒的尺寸——這種調整能夠增加可用於發生反應的總表面積。
為了研究這種方法，研究人員要求他們的供應商提供特別定製的樣品。使用標準工業程序，Novelis的專家首先將每個樣品送入兩個滾筒，從頂部和底部擠壓，使內部顆粒變平。然後他們加熱每個樣品，直到長而扁平的顆粒重新組織並縮小到目標尺寸。
在一系列精心設計的實驗中，麻省理工學院團隊發現，在不同樣品中，減小晶粒尺寸可以不同程度地提高效率並縮短反應持續時間。同樣，特定合金元素的存在對結果有着重大影響。
意想不到的結果
在整個實驗過程中，研究人員遇到了一些意想不到的結果。例如，標準腐蝕理論預測純鋁比摻硅鋁產生更多的氫——這與他們在實驗中觀察到的相反。
為了闡明潛在的化學反應，Hart、Meroueh和Eagar研究了氫“通量”，即鋁表面每平方厘米隨時間產生的氫氣量，包括內部晶粒。他們檢查了四種成分中每一種的三種晶粒尺寸，並收集了數千個測量氫通量的數據點。
結果表明，減小晶粒尺寸具有顯著效果。它使摻雜硅的鋁的峰值氫通量增加了100倍，而其他三種成分的峰值氫通量增加了10倍。對於純鋁和含硅鋁，減小晶粒尺寸也會減少峰值通量之前的延遲並增加之後的下降速率。對於含鎂鋁，減小晶粒尺寸會導致峰值氫通量增加，並導致氫輸出速率的下降略微加快。在同時存在硅和鎂的情況下，當不控制晶粒尺寸時，隨着時間的推移，氫通量類似於含鎂鋁的氫通量。當晶粒尺寸減小時，氫輸出特性開始類似於在含硅鋁中觀察到的行為。
研究人員強調了對所涉及的潛在化學反應進行更好的基本原理了解的好處。除了指導實用系統的設計之外，它還可以幫助他們找到預處理混合物中昂貴的銦的替代品。其他工作表明，鎵會自然地滲透通過鋁的晶界。“在這一點上，我們知道共晶中的銦很重要，但我們並不真正了解它的作用，所以我們不知道如何替換它，”Hart說。
但是Hart、Meroueh和Eagar已經展示了兩種調節氫反應速率的實用方法：向鋁中添加某些元素和控制內部鋁晶粒的大小。結合起來，這些方法可以產生顯著的結果。“如果你從晶粒尺寸最大的含鎂鋁到晶粒尺寸最小的含硅鋁，你會得到兩個數量級的氫反應速率，”Meroueh說。“如果你試圖設計一個使用這種反應的真實系統，那將是巨大的進步。”
（原文來自：納米技術 全球氫能網、新能源網綜合）
普渡鋁水制氫技術與麻省的比較首先從化學反應式上看，普渡技術有明顯優勢，普渡技術完全利用了水中的氫元素，生成的副產品是氧化鋁，其中不含氫，而麻省的技術生成的氫氧化鋁，浪費了氫元素。普渡技術不使用任何貴金屬或稀有金屬做催化劑，而麻省技術需要用到鎵和銦鎵銦屬於微量元素，全世界的產量非常少，未來的商業應用不可能。普渡技術已經非常成熟，2015年已經形成專利，有成熟的汽車改裝和發電的應用樣車樣機。麻省技術目前還是實驗室階段。經濟性普渡技術的氫成本在每公斤4美元以下，而麻省技術的氫成本未知，考慮到麻省技術的生產非常複雜，成本不會低。
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