Содержание
Ученые нашли бесперебойный способ получения недорогого «зеленого» водорода
На фото: Разработанный в ТПУ «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС»
Для производства водорода с помощью энергетических ветряных установок морского базирования необходим устойчивый заряд электричества. Иначе может пострадать качество топлива, а в отдельных случаях даже произойти авария. Исследовали нашли способ, как обезопасить получение «зеленого» водорода. Он основан на методе синтетической инерции, который без включения в систему дополнительных устройств позволяет сохранять ее устойчивость и вырабатывать более экономичный и качественный водород. Работа выполнена сотрудниками Томского политехнического университета (ТПУ).
«Зеленый» водород получают методом электролиза воды (нагревом электрическим током). Его главное преимущество заключается в минимальных антропогенных (связанных с человеческой деятельностью) выбросах углекислого газа (CO2) в атмосферу.
«Водород сам по себе считается самым чистым топливом. Однако процесс его добычи загрязняет окружающую среду даже сильнее, чем традиционная энергетика. Получение «зеленого» водорода — это несомненный тренд, к которому стремятся многие страны. Оптимальное размещение такого «производства» — энергетические ветряные установки морского базирования. Это позволяет сделать весь процесс на 100% эко: вода берется из океана, электричество за счет ветра. Но для его производства необходим устойчивый заряд электричества. Иначе может пострадать качество топлива, а в отдельных случаях даже привести к авариям», — поясняет и. о. руководителя отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Игорь Разживин.
Для придания энергосистеме устойчивости ученые предложили использовать синтетическую или виртуальную инерцию — систему управления для устройств возобновляемых источников энергии, которая при перебоях частоты извлекает дополнительную кинетическую (движущуюся) энергию из ветра и стабилизирует частоту в системе.
Предложенный подход ученые протестировали с помощью разработанной в вузе многопроцессорной программно-аппаратной системы «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС», в том числе при аварийных режимах. Исследования показали, что внедрение синтетической инерции позволяет получить более плавные колебания без резких скачков при изменении напряжения в системе.
На фото: Разработанный в ТПУ «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС»
«Есть альтернативные варианты решения этой же задачи. В них коллеги предлагают внедрить в систему дополнительный стабилизатор управления напряжением и суперконденсатор. Это рабочий метод. Однако он требует покупки дорогостоящего оборудования, которое необходимо настраивать и контролировать в системе, а также синхронизации его работы с другими системами цепи. Наш метод проще и дешевле аналогов за счет того, что мы модернизируем саму систему управления энергосистемы.
К тому же с его помощью проще обезопасить установку от аварийных ситуаций, а значит получать качественный водород бесперебойно», — добавляет Игорь Разживин.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в одном из международных изданий.
Металлический водород — ключ к новой энергетике – Наука – Коммерсантъ
В физико-химической среде ведущих научных центров мира вдохновенно обсуждается возможность создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Это открывает колоссальные возможности в электротехнике и энергетике. По мнению академика РАН, директора Института высоких давлений РАН Вадима Бражкина, возможно, одна из ближайших Нобелевских премий будет именно за это.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Виктор Стружкин (научный сотрудник Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, Shanghai, Китай) объяснил «Ъ-Науке» физическую природу явления: «Гидриды могут иметь очень высокие температуры сверхпроводимости из-за того, что легкие атомы водорода (H) имеют очень высокие частоты колебаний, что в рамках фононного механизма сверхпроводимости, описываемого классической теорией Бардина—Купера—Шриффера, приводит к высоким значениям температуры сверхпроводмости.
Однако, как было отмечено Ашкрофтом (Ashcroft), важно «сплавить» металлический водород с другими элементами. Именно эта концепция металлического сплава, содержащего высокую концентрацию металлоподобных атомов водорода, и сыграла решающую роль в открытии новых супергидридов с высокой температурой сверхпроводимости».
Старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и завсектором физики высоких давлений Института кристаллографии ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН Александр Гаврилюк пояснил специально для “Ъ-Науки” вопрос о сверхпроводимости полигидридов редкоземельных элементов La, Y и Ce: «История комнатной сверхпроводимости идет от проблемы металлического водорода, которая состоит в предсказании того факта, что водород при сильном сжатии должен перейти в металлическое состояние, и не просто в металлическое состояние, а в состояние сверхпроводника с температурой сверхпроводимости много больше комнатной температуры. Но и это еще не все; это состояние может быть метастабильным.
То есть эта фаза может сохраниться даже при сбросе давления до атмосферного и остаться при этом металлической и сверхпроводящей при температуре выше комнаты. Вот в чем прелесть, есть надежда получить материал с уникальными свойствами сверхпроводника при нормальных условиях.
После того как эта задача была сформулирована, были предприняты грандиозные усилия по развитию и совершенствованию техники высоких давлений и экспериментальных методик, которые можно применить для исследования веществ в этих экстремальных условиях. Были разработаны камеры высокого давления с алмазными наковальнями, отработаны методики зарядки образцов и достижения как можно более высоких давлений. На сегодняшний день достигнуты давления порядка 6 Мбар. Но размеры образцов при таких давлениях чрезвычайно малы — несколько микрон, и практически никакие экспериментальные методики при этом невозможно применить.
К 2012 году стало понятно, что если чистый водород и можно «задавить» в металл, то это будет при давлениях не меньше 4,6 Мбар.
Тогда появились разные идеи, как понизить давление перехода. Один из подходов заключается в том, чтобы сжимать не чистый водород, а водород с примесными атомами, которые привносят так называемое химическое давление в эту смесь за счет своих электронных оболочек. В результате вы имеете много водорода и мало примесей, но при этом система как бы уже предварительно сильно сжата за счет взаимодействия с электронной системой примесных атомов («химическое давление») и вам нужно только немного добавить обычного внешнего давления, чтобы окончательно осуществить фазовый переход водорода в металлическое состояние. Вот грубо в чем смысл. Конечно же, корректная картина гораздо сложнее, нельзя разделять отдельно водород и отдельно примесные ионы — это единая сложная квантово-механическая система. Но грубый смысл примерно такой.
История открытия сверхпроводимости с рекордными значениями ее температуры началась в 2015 году с открытия сверхпроводимости в гидриде серы Sh4 при очень высоких давлениях P~1,5 Мбар (1 Мбар = 1 млн атмосфер) с рекордной на то время температурой перехода Tc ~ 203 K.
Это существенно превышало предыдущий рекорд в классических высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) на основе купратов. Наша группа принимала непосредственное участие в этом событии, а именно мы экспериментально подтвердили сверхпроводимость в Sh4 по эффекту экранирования магнитного поля материалом сверхпроводника. В 2019 году были экспериментально открыты переходы в сверхпроводящее состояние в полигидриде лантана Lah20 (Tc~250–260 K) и в полигидриде иттрия YH6 (температура сверхпроводимости ~221 K) также при очень высоких давлениях 1,5–1,7 Мбар. Что подтвердило теоретические предположения о возможности очень высоких величин Tc в этих материалах. Дальнейшее развитие событий — обнаружение сверхпроводящего состояния в тройном соединении S-C-H с температурой сверхпроводимости ~ 14 C (14 градусов Цельсия, а не Кельвина, то есть существенно выше температуры замерзания воды) в 2020 году при давлении выше 2 Мбар. Это уже практически комнатная сверхпроводимость. Энтузиазм в научной среде очень большой, работ, как экспериментальных, так и теоретических, можество, но пока данные исследования носят в основном фундаментальный характер, так как практическое использование сверхпроводника стабильного при таких сверхвысоких давлениях (1,5–2,5 Мбар) маловероятно.
Тем не менее этими работами экспериментально доказано, что сверхпроводимость существует при температурах, близких к комнатной. Примерно понятны кристаллические структуры, в которых она существует, и механизм ее стабилизации. Осталось воспроизвести материал с похожей кристаллической и электронной структурой при нормальном давлении».
Профессор «Сколково» Артем Оганов также отметил, что «эти сверхпроводники требуют очень высоких давлений и технологически малоприменимы». Виктор Стружкин также пока не видит перспектив у практического применения новых сверхпроводящих гидридов.
Однако если исследователи найдут в ближайшее время гидриды, которые в метастабильном состоянии и при атмосферном давлении будут демонстрировать комнатную сверхпроводимость, это откроет широкие перспективы к коммерческому применению комнатной сверхпроводимости в народном хозяйстве.
Владимир Тесленко, кандидат химических наук
Производство электроэнергии и водорода из фототопливного элемента с использованием муравьиной кислоты и других одноуглеродных органических соединений
Производство электроэнергии и водорода из фототопливного элемента с использованием муравьиной кислоты и других одноуглеродных органических соединений†
Брайан
Сегер, и
Гао Цин
(Макс.
) Лу и
а также
Ляньчжоу
Ван* и
Принадлежности автора
*
Соответствующие авторы
и
Центр передового опыта ARC в области функциональных наноматериалов, Школа химического машиностроения и Австралийский институт биоинженерии и нанотехнологий, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, Брисбен, QLD 4072, Австралия
Электронная почта:
[email protected]
Факс: +61 7 33654199
Тел.
: +61 7-336-54218
Аннотация
Фотоэлектрохимическая ячейка на основе фотоанода TiO 2 , мембраны Nafion и платинового катода использовалась для фотоокисления муравьиной кислоты с получением высокоэнергетических электронов, которые затем использовались для получения H 2 . Используя смоделированный солнечный свет AM1.5, ячейка имела фототок 150 мкА см -2 и производила 60 мкл ч -1 см -2 (фарадеевская эффективность 88%). Были сняты поляризационные кривые, и ячейка произвела максимальную мощность 30 мкВт ч -1 см -2 . Температура ячейки варьировалась, и потенциал разомкнутой цепи демонстрировал тенденцию, соответствующую нернстовскому поведению, в то время как кривые поляризации слегка смещались.
Для изучения воздействия различных органических веществ были проведены измерения в открытом контуре и поляризационные кривые для формальдегида и метанола в дополнение к муравьиной кислоте. Хотя три одноуглеродных органических соединения имеют очень похожие механизмы окисления, фотоэлектрохимическое поведение метанола значительно отличается от поведения как формальдегида, так и муравьиной кислоты. Обсуждаются возможные причины различий.
Использование алюминия и воды для производства чистого водородного топлива — когда и где это необходимо | Новости Массачусетского технологического института
Поскольку мир работает над отказом от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть расширенную роль в секторах от транспорта и промышленности до зданий и производства электроэнергии. Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, тепловых котлах, газовых турбинах, вырабатывающих электроэнергию, системах хранения возобновляемой энергии и многом другом.
Но при использовании водорода выбросы углерода не образуются, как обычно. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов, основанных на ископаемом топливе, которые вместе производят более 2 процентов всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте, а потребляется в другом, что означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.
Многообещающая реакция
Еще один способ получения водорода исходит, возможно, из неожиданного источника: реакции алюминия с водой. Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его прямой контакт с водой.
Использование реакции алюминия и воды для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки в любом месте с доступной водой.
Просто переместите алюминий, а затем проведите реакцию с водой на месте. «По сути, алюминий становится механизмом хранения водорода — и очень эффективным», — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем «хранить» водород с плотностью в 10 раз выше, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».
Две проблемы не позволяют использовать алюминий в качестве безопасного и экономичного источника для производства водорода. Первая проблема заключается в обеспечении того, чтобы алюминиевая поверхность была чистой и доступной для реакции с водой. С этой целью практическая система должна включать средства, сначала модифицирующие оксидный слой, а затем предотвращающие его повторное формирование по мере протекания реакции.
Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия требует больших затрат энергии, поэтому любой практический подход требует использования лома алюминия из различных источников.
Но алюминиевый лом – не самый простой исходный материал. Обычно он встречается в легированной форме, что означает, что он содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей. Например, добавление магния увеличивает прочность и коррозионную стойкость, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.
Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить прилипание оксидного слоя к поверхности алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество генерируемого водорода и скорость, с которой он генерируется?
«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода в практических целях, мы должны быть в состоянии лучше предсказать, какие характеристики образования водорода мы будем наблюдать в результате реакции алюминия с водой», — говорит доктор философии Лорин Меруэ.
20 лет, получившая докторскую степень в области машиностроения.
Поскольку основные этапы реакции изучены недостаточно, трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Поэтому Харт, Меруэ и Томас У. Игар, профессор кафедры материаловедения и инженерного менеджмента на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов на реакцию алюминия с водой. и о перспективной методике предотвращения образования мешающего оксидного слоя.
Для подготовки эксперты Novelis Inc. изготовили образцы чистого алюминия и специальных алюминиевых сплавов, изготовленных из технически чистого алюминия в сочетании с 0,6% кремния (по весу), 1% магния или с обоими составами, типичными для алюминиевый лом из различных источников. Используя эти образцы, исследователи Массачусетского технологического института провели серию тестов для изучения различных аспектов реакции алюминия с водой.
Предварительная обработка алюминия
Первым шагом была демонстрация эффективного средства проникновения через оксидный слой, образующийся на алюминии на воздухе. Твердый алюминий состоит из крошечных зерен, которые упакованы вместе со случайными границами, где они не совпадают идеально. Чтобы максимизировать производство водорода, исследователям необходимо предотвратить образование оксидного слоя на всех внутренних поверхностях зерен.
Исследовательские группы уже опробовали различные способы «активации» алюминиевых зерен для реакции с водой. Некоторые измельчают образцы металлолома на настолько мелкие частицы, что оксидный слой не прилипает. А вот алюминиевые порошки опасны, так как могут вступить в реакцию с влагой и взорваться. Другой подход требует измельчения образцов лома и добавления жидких металлов для предотвращения осаждения оксидов. Но шлифование – это дорогостоящий и энергоемкий процесс.
По мнению Харта, Меруэ и Игара, наиболее многообещающий подход, впервые представленный Джонатаном Слокамом, доктором философии ’18, когда он работал в исследовательской группе Харта, заключался в предварительной обработке твердого алюминия путем нанесения на него жидких металлов и предоставления им возможности проникнуть внутрь.
через границы зерен.
Чтобы определить эффективность этого подхода, исследователям необходимо было подтвердить, что жидкие металлы могут достигать внутренних поверхностей зерен как с присутствием легирующих элементов, так и без них. И им нужно было установить, сколько времени потребуется, чтобы жидкий металл покрыл все зерна чистого алюминия и его сплавов.
Они начали с объединения двух металлов — галлия и индия — в определенных пропорциях, чтобы создать «эвтектическую» смесь; то есть смесь, которая останется в жидкой форме при комнатной температуре. Они покрыли свои образцы эвтектикой и позволили ей проникнуть в течение периода времени от 48 до 96 часов. Затем они подвергали образцы воздействию воды и контролировали выход водорода (количество образовавшегося) и скорость потока в течение 250 минут. Через 48 часов они также сделали изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с большим увеличением, чтобы увидеть границы между соседними зернами алюминия.
Основываясь на измерениях выхода водорода и изображениях СЭМ, команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что эвтектика галлия-индия естественным образом проникает и достигает внутренних поверхностей зерен. Однако скорость и степень проникновения варьируются в зависимости от сплава. Скорость проникновения в образцах алюминия, легированного кремнием, была такой же, как и в образцах чистого алюминия, но ниже в образцах, легированных магнием.
Возможно, наиболее интересными были результаты для образцов, легированных как кремнием, так и магнием — алюминиевым сплавом, который часто встречается в рециркуляционных потоках. Кремний и магний химически связываются с образованием силицида магния, который образуется в виде твердых отложений на внутренней поверхности зерна. Меруэх предположил, что, когда в алюминиевом ломе присутствуют и кремний, и магний, эти отложения могут действовать как барьеры, препятствующие протеканию эвтектики галлий-индий.
Эксперименты и изображения подтвердили ее гипотезу: твердые отложения действительно действовали как барьеры, а изображения образцов, предварительно обработанных в течение 48 часов, показали, что проникновение не было полным.
Ясно, что длительный период предварительной обработки будет иметь решающее значение для максимизации выхода водорода из алюминиевых отходов, содержащих как кремний, так и магний.
Меруэ указывает на несколько преимуществ используемого ими процесса. «Вам не нужно применять какую-либо энергию, чтобы эвтектика галлия-индия воздействовала на алюминий и избавлялась от этого оксидного слоя», — говорит она. «Как только вы активируете алюминий, вы можете бросить его в воду, и он будет генерировать водород — никаких затрат энергии не требуется». Более того, эвтектика не вступает в химическую реакцию с алюминием. «Он просто физически перемещается между зернами», — говорит она. «В конце процесса я мог восстановить весь вложенный галлий и индий и использовать их снова» — ценная функция, поскольку галлий и (особенно) индий дороги и относительно дефицитны.
Влияние легирующих элементов на образование водорода
Затем исследователи исследовали, как присутствие легирующих элементов влияет на образование водорода.
Они испытали образцы, обработанные эвтектикой в течение 96 часов; к тому времени выход водорода и скорость потока выровнялись во всех образцах.
Присутствие 0,6 процента кремния увеличило выход водорода для данного веса алюминия на 20 процентов по сравнению с чистым алюминием, даже несмотря на то, что кремнийсодержащий образец содержал меньше алюминия, чем образец чистого алюминия. Напротив, присутствие 1 процента магния производило гораздо меньше водорода, а добавление как кремния, так и магния увеличивало выход, но не до уровня чистого алюминия.
Присутствие кремния также значительно ускоряет скорость реакции, вызывая гораздо более высокий пик скорости потока, но сокращая продолжительность выделения водорода. Присутствие магния приводило к более низкой скорости потока, но позволяло выходу водорода оставаться довольно стабильным с течением времени. И снова алюминий с обоими легирующими элементами давал скорость потока между легированным магнием и чистым алюминием.
Эти результаты дают практическое руководство о том, как отрегулировать выход водорода в соответствии с рабочими потребностями устройства, потребляющего водород.
Если исходным материалом является технически чистый алюминий, добавление небольшого количества тщательно подобранных легирующих элементов может регулировать выход водорода и скорость потока. Если исходным материалом является алюминиевый лом, ключевым фактором может быть тщательный выбор источника. Для мощных кратковременных всплесков водорода хорошо подойдут куски кремнийсодержащего алюминия со свалки автомобилей. Для более низких, но более длинных потоков лучше использовать содержащие магний отходы от каркаса снесенного здания. Для результатов где-то посередине хорошо подойдет алюминий, содержащий как кремний, так и магний; такой материал в изобилии доступен из списанных автомобилей и мотоциклов, яхт, велосипедных рам и даже чехлов для смартфонов.
Также должна быть возможность комбинировать обрезки различных алюминиевых сплавов для улучшения результата, отмечает Меруэ. «Если у меня есть образец активированного алюминия, который содержит только кремний, и другой образец, содержащий только магний, я могу поместить их оба в контейнер с водой и дать им прореагировать», — говорит она.
«Таким образом, я получаю быстрый рост производства водорода из кремния, а затем магний вступает во владение и имеет такой стабильный выход».
Еще одна возможность для настройки: Уменьшение размера зерна
Другим практическим способом повлиять на производство водорода может быть уменьшение размера алюминиевых зерен — изменение, которое должно увеличить общую площадь поверхности, доступную для протекания реакций.
Чтобы исследовать этот подход, исследователи запросили у своего поставщика специально изготовленные образцы. Используя стандартные промышленные процедуры, специалисты Novelis сначала пропускали каждый образец через два ролика, сжимая его сверху и снизу, чтобы внутренние зерна были сплющены. Затем они нагревали каждый образец до тех пор, пока длинные плоские зерна не реорганизовались и не сжались до заданного размера.
В ходе серии тщательно спланированных экспериментов команда Массачусетского технологического института обнаружила, что уменьшение размера зерна увеличивает эффективность и сокращает продолжительность реакции в различной степени в различных образцах.
Опять же, большое влияние на результат оказало присутствие определенных легирующих элементов.
Требуется: пересмотренная теория, объясняющая наблюдения
В ходе своих экспериментов исследователи столкнулись с некоторыми неожиданными результатами. Например, стандартная теория коррозии предсказывает, что чистый алюминий будет генерировать больше водорода, чем алюминий, легированный кремнием, — противоположное тому, что они наблюдали в своих экспериментах.
Чтобы пролить свет на лежащие в основе химические реакции, Харт, Меруэ и Игар исследовали «поток» водорода, то есть объем водорода, образующийся с течением времени на каждом квадратном сантиметре поверхности алюминия, включая внутренние зерна. Они изучили три размера зерна для каждого из четырех составов и собрали тысячи точек данных, измеряющих поток водорода.
Их результаты показывают, что уменьшение размера зерна оказывает значительное влияние. Он увеличивает пиковый поток водорода из алюминия, легированного кремнием, в 100 раз, а из трех других составов — в 10 раз.
Как для чистого алюминия, так и для алюминия, содержащего кремний, уменьшение размера зерна также уменьшает задержку перед пиковым потоком и увеличивает скорость последующего снижения. В магнийсодержащем алюминии уменьшение размера зерна приводит к увеличению пикового потока водорода и приводит к несколько более быстрому снижению скорости выхода водорода. При наличии как кремния, так и магния поток водорода с течением времени напоминает поток алюминия, содержащего магний, когда размер зерна не изменяется. Когда размер зерна уменьшается, характеристики выхода водорода начинают напоминать поведение, наблюдаемое в кремнийсодержащем алюминии. Этот результат был неожиданным, потому что, когда одновременно присутствуют кремний и магний, они реагируют с образованием силицида магния, в результате чего получается новый тип алюминиевого сплава со своими свойствами.
Исследователи подчеркивают преимущества лучшего фундаментального понимания лежащих в основе химических реакций. В дополнение к руководству по проектированию практических систем, это могло бы помочь им найти замену дорогому индию в их смеси для предварительной обработки.