3 сентября 2024
Сотрудники лаборатории химии высоких давлений кафедры химической технологии и новых материалов Химического факультета МГУ Людмила Севастьянова, Семен Клямкин и Владимир Ступников под руководством заведующего лабораторией Бориса Булычева усовершенствовали реакцию взаимодействия гидрида магния с водой, перспективную для генерации водорода, используемого в топливных элементах. Авторы работы установили, что добавление солей щелочных металлов, аммония и/или магния увеличивает выход водорода с 22% практически до 100 %, при этом скорость потока водорода возрастает в 8 раз. Работа опубликована в издании International Journal of Hydrogen Energy.
Автономные источники водорода используются для питания компактных топливных элементов небольшой мощности: зарядных устройств для электроники или систем электропитания потребителей, находящихся в далеких и изолированных местах. Наиболее доступный способ получения водорода для таких источников - взаимодействие легкого металла (алюминия или магния) или его гидрида с водой. Сами по себе гидриды по сравнению с металлами более эффективны, потому что содержат "свой" водород, выделяющийся в реакции окисления в дополнение к водороду из воды. Однако в обычных условиях алюминий, магний и их гидриды с водой взаимодействуют крайне неохотно, поэтому ученые активно ищут способы повышения их реакционной способности.
– "Смысл нашей работы – подобрать методы подготовки материалов и простые водные растворы так, чтобы их взаимодействие сопровождалось наибольшим количеством выделяемого водорода и достаточно высокой скоростью, – объяснил соавтор исследования, д.х.н., профессор Семен Клямкин. – Сейчас существуют два подхода к решению этой задачи. Первый заключается в модификации самого водородгенерирующего материала с применением методов механохимии. Активность металлов и гидридов в реакции окисления водой повышается в этом случае не только за счет формирования дефектов кристаллической решетки, но и благодаря введению легирующих добавок. Для магния это металлы триады железа, создающие с магнием гальванические пары. Для алюминия - галлий и индий, разрушающие зёренную структуру (эффект Ребиндера). Есть другое, очень простое с химической точки зрения решение – использовать кислоту или щелочь для растворения металлов или их гидридов. Такие реакции проходят быстро и эффективно. Однако химические свойства кислот и щелочей сильно ограничивают их применение. Пришлось искать что-то более нейтральное".
Как пояснил профессор Клямкин, некоторые научные группы предлагают растворять металлы в присутствии гидролизующихся в воде солей металлов: хлоридов алюминия, никеля, железа, цинка, и др. При их взаимодействии с водой образуются либо кислые, либо щелочные среды, которые помогают металлу растворяться и повышают выход водорода. Но возникающая кислая или щелочная среда ограничивает технологическую пригодность процесса по тем же причинам, что и применение чистых кислот или щелочей.
– "Мы предложили использовать для окисления гидрида магния нейтральные солевые растворы, например, хлориды и бромиды аммония или магния – рассказал Семен Клямкин. – С участием таких солей можно добиться практически 100 % выхода водорода в этой реакции без изменения кислотности раствора. А главное, что она идет намного быстрее".
Механизм действия солей пока до конца не понятен. Наиболее вероятно, что в процессе реакции с водой на поверхности гидрида образуются нерастворимые гидроксиды, которые препятствует дальнейшему проникновению воды и фактически останавливают реакцию. Присутствие солей за счет комплексообразования способствует растворению этих гидроксидов или просто делает их более "рыхлыми".
В будущих исследованиях авторы планируют продолжать разработку методов активации, позволяющих расширить применение магния, алюминия и их гидридов в качестве относительно дешевых и простых в получении генераторов водорода.
Ссылка на статью:
L.G. Sevastyanova, S.N. Klyamkin, V.A. Stupnikov, B.M. Bulychev
Disposable hydrogen generators: Magnesium hydride oxidation in aqueous salts solutions
International Journal of Hydrogen Energy
Volume 47, Issue 1, 2022, Pages 92-101
Предыдущие публикации авторов по теме:
Generation of hydrogen from magnesium hydride oxidation in water in presence of halides
Автор: Юлия Чернова пресс-служба химического факультета МГУ