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新的液态金属膜技术有助于氢燃料电池车的发展


新闻摘要:虽然由氢燃料电池供电的汽车与电动汽车相比,越来越受欢迎,但还没有引起消费者的广泛关注。 其中一个原因是生产,分配和存储导致其供电所需纯氢的高成本和复杂性,这阻碍了加氢站的推出。


新的液态金属膜技术有助于氢燃料电池车的发展


【据phys 网站8月28日报道】虽然由氢燃料电池供电的汽车与电动汽车相比,越来越受欢迎(包括他们使用范围广,更低的整体环境影响以及可以在几分钟内加注的事实,而与充电时间的相对时间相比,具有明显的优势),但还没有引起消费者的广泛关注。 其中一个原因是生产,分配和存储导致其供电所需纯氢的高成本和复杂性,这阻碍了加氢站的推出。

     长期以来,工程师们就了解,宇宙中最丰富的氢能量具有无限可用性。 氢气在环境中自然存在,但它总是与其他元素进行化学键合,例如与水中的氧(H 2 O)或甲烷(CH 4)中的碳结合。 为了获得纯氢,它必须与这些分子之一分离。 在美国生产的氢气,几乎都是通过蒸汽重整从烃燃料获得的,主要是天然气,其中烃在催化剂存在的情况下与高温蒸汽反应产生一氧化碳, 二氧化碳和分子氢(H2)。

     然后可以通过复杂的多步骤化学过程将氢气与其它气体分离,但是可以通过膜来进行分离来降低氢气生产的成本和复杂性。 目前正在开发的大多数氢分离膜使用的是贵金属钯,其具有非常高的氢溶解度和渗透性(这意味着氢容易溶解并穿过金属,而排除其它气体)。 但钯成本很高并且脆弱。

     由于这些原因,化学工程师一直在寻求使用钯氢替代氢气分离膜的方法,但到目前为止,没有人能做到。伍斯特理工学院(WPI)化学工程教授拉文德拉•达塔(Ravindra Datta)领导的开创性研究可能已经确定了钯金的替代品:液态金属。       在蒸汽重整系统(约500摄氏度)内发现的标准工作温度下,许多金属和合金都是液态的,其中大部分比钯低得多。此外,用液态金属膜制成的膜不容易出现缺陷和裂纹,以便钯膜正常使用。

     在美国化学工程师学会杂志上发表的WPI研究,第一次证明除了这些优点外,在将纯氢与其他气体分离时,液态金属膜似乎比钯显着更有效。这表明他们可以为燃料电池车辆提供经济实惠的氢气,这为这个挑战提供了切实有效的解决方案。 Datta表示:“最近转向电动汽车是不可逆转的。他和其他人认为,如果氢气供应难题得到解决,电动汽车的下一步是氢燃料车辆 。像电池供电的电动汽车,燃料电池汽车有电动马达。当催化剂(唯一的“废物”是水)存在氢和氧时,电动机由燃料电池内部产生电力驱动。虽然他们可以从空气中吸取氧气,但汽车必须携带纯净的氢气。

     许多研究人员专注于通过制备更好和更薄的钯膜来降低氢气的成本。一些最先进的膜是由退休的WPI化学工程教授Yi Hua“Ed”Ma生产的,他们在工业部和美国能源部的大力资助下,开创了一种将钯与多孔钢管结合的方法,导致钯薄至5~10微米。


     要使钯薄层增加膜的通量,或纯氢气通过它的速率。 “但是如果一个膜太薄了,”Datta说,“它变得脆弱,或是出现缺陷,但膜需要无缺陷,如果它们发生发丝裂缝或微孔,那么你必须重新开始。


图:伍斯特理工学院(WPI)的研究人员用该实验室设置测试了夹层液态金属薄膜。膜是夹在多孔陶瓷载体之间的薄层的镓,比钯膜更有效地从混合气流中分离出氢


     六年前,Datta和他的学生开始怀疑液态金属是否能克服一些钯的局限性,特别是成本和脆弱性,同时也能提供优异的氢溶度和渗透性。“除了化学亲和力,渗透性取决于金属晶体结构的开放程度,”他说。“在原子之间,液态金属比固体金属有更多的空间,因此它们的溶解度和扩散性应该更高。”

     文献综述透露,此前没有研究过此主题,Datta成功申请了美国能源部的100万美元的基金,以研究使用液态金属进行氢气分离的可行性。他和他的团队,研究生Pei-Shan Yen和Nicholas Deveau,决定开始他们的探索,镓是一种无毒的金属,在室温下是液体的。

     他们进行了基本的工作,表明镓是一个很好的候选者,因为在高温下,它比钯显出更高的氢渗透性。事实上,团队进行的实验室研究和理论建模表明,在较高温度下的多种液体金属可能具有比钯更好的氢渗透性。

     尽管液态镓有很大的希望作为氢分离的材料,但创造出功能性的膜与金属,被证明是具有挑战性的,Datta说。 “事实证明,液态金属非常活跃,”他说。马教授用钯制造的时候,你不能将镓放在多孔金属支撑上,因为在较高的温度下,它会迅速形成金属间化合物,从而失去渗透性。“该团队发现金属也与用作钯膜中载体的许多陶瓷材料发生反应。

     通过建模和实验,他们列出了一系列材料,包括碳基材料,如石墨和碳化硅,不与液态镓发生化学反应,但也可以被液态金属润湿,这意味着金属将会扩散形成支撑材料上的薄膜。

     意识到液态金属的表面张力可能随着温度的变化和它们所暴露的气体组成的变化而发生变化,从而潜在地产生泄漏,他们决定将金属插入两层支撑材料之间以产生夹层液体金属膜或SLiMM。在实验室中构建由碳化硅层和石墨层之间的薄(二分之二毫米),由液晶镓层组成,并测试其稳定性和氢渗透性。

     将膜在480-550℃的温度下暴露于氢气氛中两周。结果表明,液态镓膜效果比钯膜效果好35倍,通过夹层膜,氢的扩散速度比典型的钯膜高得多。该测试还发现膜是具有选择性的,仅允许氢气通过。

     “这些测试证实了我们的假设,液态金属可能是氢分离膜的候选者,”Datta说,“这表明这些材料可能是长期寻求替代钯的替代品,但还有许多问题需要回答,包括我们在实验室中构建的小膜是否可以放大,以及膜是否能抵抗已知会毒死钯膜的气体(包括一氧化碳和硫)中存在的物质。


原文来自phys.org网站,原文题目(Irregular nanopatterns enable micron-thin silicon solar cells)。

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