Worcester, Mass. - Si bien los automóviles que funcionan con celdas de combustible de hidrógeno ofrecen claras ventajas sobre los vehículos eléctricos que están creciendo en popularidad incluyendo su mayor alcance, su menor impacto ambiental general y el hecho de que pueden repostar en minutos,frente a las horas de tiempo de carga, todavía tienen que despegar con los consumidores.Una razón es el alto costo y la complejidad de producir, distribuir y almacenar el hidrógeno puro necesario para alimentarlos, lo que ha dificultado el despliegue de las estaciones de repostaje de hidrógeno..
Los ingenieros han reconocido durante mucho tiempo el poder, y la disponibilidad ilimitada, del hidrógeno, el elemento más abundante en el universo. El hidrógeno se produce naturalmente en el medio ambiente, pero casi siempre está químicamente unido a otros elementos, al oxígeno en el agua H 2 O, por ejemplo, o al carbono en metano CH 4 .Para obtener hidrógeno puro, debe separarse de una de estas moléculas.Prácticamente todo el hidrógeno producido en los Estados Unidos se obtiene de los combustibles de hidrocarburos, principalmente gas natural, a través de la reforma de vapor, un proceso de varios pasos en el que los hidrocarburos reaccionan con el vapor a alta temperatura en presencia de un catalizador para producir monóxido de carbono.dióxido de carbono e hidrógeno molecular H 2 .
El hidrógeno se puede separar de los otros gases a través de un proceso químico engorroso y de varios pasos, pero el costo y la complejidad de la producción de hidrógeno se pueden reducir mediante el uso de una membrana para hacer la separación. La mayoría de las membranas de separación de hidrógeno están actualmentedesarrollado utiliza el paladio de metales preciosos, que tiene una solubilidad y permeabilidad al hidrógeno inusualmente altas lo que significa que el hidrógeno se disuelve fácilmente y viaja a través del metal, mientras que otros gases están excluidos. Pero el paladio es costoso actualmente se vende por alrededor de $ 900 por onzay frágil
Por estas razones, los ingenieros químicos han buscado durante mucho tiempo alternativas al paladio para su uso en membranas de separación de hidrógeno, pero hasta ahora, no han surgido candidatos adecuados. Un estudio pionero dirigido por Ravindra Datta, profesor de ingeniería química en el Instituto Politécnico de Worcester WPI, puede haber identificado la alternativa de paladio largamente esquiva: metales líquidos.
Una gran cantidad de metales y aleaciones son líquidos a las temperaturas de funcionamiento estándar que se encuentran en los sistemas de reformado con vapor alrededor de 500 grados C, y la mayoría de estos son mucho menos costosos que el paladio. Además, una membrana hecha con una película de metal líquidono debe ser propenso a los defectos y grietas que pueden inutilizar una membrana de paladio.
El estudio WPI, publicado en el Revista del Instituto Americano de Ingenieros Químicos , es el primero en demostrar que, además de estas ventajas, las membranas de metal líquido también parecen ser significativamente más efectivas que el paladio para separar el hidrógeno puro de otros gases, lo que sugiere que pueden proporcionar una solución práctica y efectiva para el desafío desuministrando hidrógeno asequible para vehículos con celdas de combustible. "El cambio reciente a los autos eléctricos es irreversible", dijo Datta. El siguiente paso después de que los vehículos eléctricos, él y otros creen, son los vehículos con combustible de hidrógeno, si se resuelve el problema del suministro de hidrógeno.
Al igual que los autos eléctricos que funcionan con baterías, los vehículos con celdas de combustible tienen motores eléctricos. Los motores funcionan con electricidad generada dentro de la celda de combustible cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan en presencia de un catalizador el único producto "residual" es el agua.Si bien pueden extraer oxígeno del aire, los automóviles deben transportar un suministro de hidrógeno puro.
Muchos investigadores se han centrado en reducir el costo de ese hidrógeno haciendo membranas de paladio mejores y más delgadas. Algunas de las membranas más avanzadas fueron producidas por el profesor retirado de ingeniería química de WPI Yi Hua "Ed" Ma, quien, con una considerable financiación de la industriay el Departamento de Energía de los Estados Unidos, fueron pioneros en un proceso para unir paladio a un tubo de acero poroso, lo que resultó en capas de paladio tan delgadas como 5 a 10 micras.
Hacer que la capa de paladio sea delgada aumenta el flujo de la membrana, o la velocidad a la que el hidrógeno puro se mueve a través de ella. "Pero si una membrana es demasiado delgada", dijo Datta, "se vuelve frágil o desarrolla defectos. Y las membranas necesitanno tenga defectos. Si desarrollan incluso una grieta capilar o un microporo, debe comenzar de nuevo ".
Hace seis años, Datta y sus estudiantes comenzaron a preguntarse si los metales líquidos podrían superar algunas de las limitaciones del paladio, en particular su costo y fragilidad, y al mismo tiempo, potencialmente, ofrecer una solubilidad y permeabilidad superior al hidrógeno ". Además de la afinidad química, la penetración dependesobre qué tan abierta es una estructura de cristal metálico ", dijo." Los metales líquidos tienen más espacio entre los átomos que los metales sólidos, por lo que su solubilidad y capacidad de difusión deberían ser mayores ".
Después de que una revisión de la literatura no reveló ninguna investigación previa sobre este tema, Datta solicitó con éxito un premio de $ 1 millón del Departamento de Energía de los EE. UU. Para estudiar la viabilidad del uso de metales líquidos para la separación de hidrógeno. Él y su equipo, estudiantes graduados Pei-ShanYen y Nicholas Deveau Yen obtuvo su doctorado en 2016; Deveau recibió el suyo en mayo, decidieron comenzar su exploración con galio, un metal no tóxico que es líquido a temperatura ambiente.
Realizaron un trabajo fundamental que reveló que el galio era un excelente candidato, ya que demostró una permeabilidad de hidrógeno significativamente mayor que el paladio a temperaturas elevadas. De hecho, los estudios de laboratorio y los modelos teóricos realizados por el equipo mostraron que varios metales que son líquidos entemperaturas más altas pueden tener una mejor penetración de hidrógeno que el paladio.
Aunque el galio líquido mostró una gran promesa como material para la separación de hidrógeno, la creación de una membrana funcional con el metal resultó ser un desafío, dijo Datta. "Resulta que los metales líquidos son muy reactivos", dijo. "No se puede colocar galio en unsoporte metálico poroso, como lo hizo el profesor Ma con paladio, ya que a temperaturas más altas forma rápidamente compuestos intermetálicos que matan la permeabilidad ". El equipo descubrió que el metal también reaccionará con una serie de materiales cerámicos comúnmente utilizados como soportes en las membranas de paladio.
A través del modelado y la experimentación, compilaron una lista de materiales, incluidos materiales a base de carbono como el grafito y el carburo de silicio, que no reaccionan químicamente con el galio líquido, pero que también son humectables por el metal líquido, lo que significa que el metal se dispersarápara formar una película delgada sobre el material de soporte.
Consciente de que la tensión superficial de los metales líquidos probablemente cambiaría en respuesta a las variaciones de temperatura y la composición de los gases a los que estaban expuestos, lo que podría producir fugas, decidieron insertar el metal entre dos capas de material de soporte para crear unmembrana de metal líquido intercalada o SLiMM. Una membrana que consiste en una capa delgada dos décimas de milímetro de galio líquido entre una capa de carburo de silicio y una capa de grafito, se construyó en el laboratorio y se probó su estabilidad y permeabilidad al hidrógeno..
La membrana se expuso a una atmósfera de hidrógeno durante dos semanas a temperaturas que oscilaban entre 480 y 550 grados C. Los resultados mostraron que la película de galio líquido era hasta 35 veces más permeable al hidrógeno que una capa comparable de paladio y esa difusión deEl hidrógeno a través de la membrana intercalada era considerablemente más alto que para una membrana de paladio típica. La prueba también mostró que las membranas eran selectivas, permitiendo que solo pasara el hidrógeno.
"Estas pruebas confirmaron nuestras hipótesis de que los metales líquidos pueden ser candidatos adecuados para las membranas de separación de hidrógeno", dijo Datta, "lo que sugiere que estos materiales podrían ser el sustituto buscado desde hace mucho tiempo para el paladio. Hay una serie de preguntas que aún deben ser respondidas"respondió, incluso si las membranas pequeñas que construimos en el laboratorio se pueden ampliar y si las membranas serán resistentes a las sustancias presentes en los gases reformados incluidos el monóxido de carbono y el azufre que se sabe que envenenan las membranas de paladio.
"Pero al demostrar la viabilidad de las membranas de metal líquido intercaladas, hemos abierto la puerta a una nueva área muy prometedora de investigación de energía de hidrógeno", agregó Datta, "porque hay muchos otros metales y aleaciones, más allá del galio, que sonlíquido a 500 grados C. Es un vasto campo abierto, en términos de qué materiales podría usar. Además, plantea una serie de preguntas científicas interesantes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Politécnico de Worcester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :