UCSC の化学者がガリウムを開発

カリフォルニア大学サンタクルーズ校の化学者らは、周囲条件下で水を分解し、急速に水素ガスを生成するアルミニウムナノ粒子を製造する簡単な方法を開発した。水分解反応は電位を加える必要がなく、周囲条件および中性 pH で機能し、合金 1 グラムあたり 130 mL (5.4 mmol) の水素を急速に生成します。彼らの研究に関する論文は、学術誌 ACS Applied Nano Materials に掲載されています。

アルミニウムは反応性の高い金属であり、水分子から酸素を剥ぎ取って水素ガスを発生させることができます。アルミニウムは瞬時に空気と反応して酸化アルミニウムのコーティングを形成し、それ以上の反応をブロックするため、濡れた製品に広く使用されても危険はありません。

研究者たちは長年にわたり、アルミニウムの反応性を利用してクリーンな水素燃料を生成する効率的かつコスト効率の高い方法を見つけようと試みてきた。 UCSCの研究者らによる新しい研究は、ガリウムとアルミニウムの複合材料が容易に製造できるアルミニウムナノ粒子を生成し、室温で水と急速に反応して大量の水素を生成することを示した。ガリウムは反応後に再利用するために簡単に回収でき、理論的には複合材料中のすべてのアルミニウムの反応から生成できる水素の 90% が得られます。

エネルギーの投入は必要なく、狂ったように水素を泡立てます。そのようなものは見たことがありません。

水素ガスの泡は、水とアルミニウム - ガリウム複合材料の反応によって生成されます。反応の動画はオンラインでご覧いただけます。 (クレジット: Amberchan et al.、Applied Nano Materials 2022)

アルミニウムとガリウムと水との反応は 1970 年代から知られており、そのビデオはオンラインで簡単に見つけることができます。これが機能するのは、室温より少し高い温度で液体であるガリウムが不動態酸化アルミニウムのコーティングを除去し、アルミニウムが水と直接接触できるようにするためです。しかし、新しい研究には、実用化につながる可能性のあるいくつかの革新と新しい発見が含まれています。

この技術に関しては米国特許出願中です。この基礎となった国際 (PCT) 出願はここにあります。

これまでの研究では、主にアルミニウムとガリウムのアルミニウムを豊富に含む混合物、または場合によってはより複雑な合金が使用されていました。しかし、化学および生化学の教授であり、この研究の共同著者であるバクタン・シンガラム氏の研究室は、ガリウムを豊富に含む複合材料を使用すると水素生成が増加することを発見した。実際、水素生成速度が予想外に高かったため、研究者らは、このガリウムを豊富に含む合金には何か根本的に異なるものがあるに違いないと考えました。

オリバー氏は、アルミニウムのナノ粒子の形成が水素生成の増加の原因である可能性を示唆し、彼の研究室には合金のナノスケール特性評価に必要な設備があった。研究者らは、走査型電子顕微鏡とX線回折を用いて、3:1のガリウム-アルミニウム複合材料中にアルミニウムナノ粒子が形成されることを示し、これが水素生成に最適な比率であることを発見した。

複合材料の走査型電子顕微鏡検査では、ガリウムのマトリックス中にアルミニウムのナノ粒子が存在することがわかります。 (クレジット: Amberchan et al.、Applied Nano Materials 2022)

このガリウムを豊富に含む複合材料では、ガリウムは酸化アルミニウムのコーティングを溶解し、アルミニウムをナノ粒子に分離する両方の役割を果たします。

複合材料の作成に必要なのは、単純な手動混合だけでした。この複合材料は、使用済みのホイルや缶など、すぐに入手できるアルミニウム源で作ることができ、湿気から保護するためにシクロヘキサンで覆うことで長期間保存できます。

ガリウムは豊富ではなく、比較的高価だが、有効性を失うことなく何度も回収して再利用できるとシンガラム氏は述べた。ただし、このプロセスが商業的な水素製造に実用的なものになるまでスケールアップできるかどうかはまだわかりません。

この研究は、イマヘルナンデス財団からの資金によって部分的に支援されました。

リソース

Gabriella Amberchan、Isai Lopez、Beatriz Ehlke、Jeremy Barnett、Neo Y. Bao、A'Lester Allen、Bakthan Singaram、Scott RJ Oliver (2022) 「水の分解と水素生成のための Ga-Al 複合材料からのアルミニウムナノ粒子」 ACS Appliedナノマテリアル doi: 10.1021/acsanm.1c04331

投稿日: 2022 年 2 月 22 日 in 水素, 水素製造, ナノテク | パーマリンク | コメント (6)