Des chimistes de l'UCSC développent du gallium

Les chimistes de l'UC Santa Cruz ont développé une méthode simple pour fabriquer des nanoparticules d'aluminium qui séparent l'eau et génèrent rapidement de l'hydrogène gazeux dans des conditions ambiantes. La réaction de séparation de l'eau ne nécessite pas de potentiel appliqué et fonctionne dans des conditions ambiantes et à un pH neutre pour générer rapidement 130 ml (5,4 mmol) d'hydrogène par gramme d'alliage. Un article sur leurs travaux est publié dans la revue ACS Applied Nano Materials.

L'aluminium est un métal hautement réactif qui peut extraire l'oxygène des molécules d'eau pour générer de l'hydrogène gazeux. Son utilisation généralisée dans les produits qui se mouillent ne présente aucun danger car l'aluminium réagit instantanément avec l'air pour acquérir une couche d'oxyde d'aluminium, qui bloque les réactions ultérieures.

Pendant des années, les chercheurs ont essayé de trouver des moyens efficaces et rentables d'utiliser la réactivité de l'aluminium pour générer de l'hydrogène propre. Une nouvelle étude menée par les chercheurs de l'UCSC montre qu'un composite de gallium et d'aluminium facilement produit crée des nanoparticules d'aluminium qui réagissent rapidement avec l'eau à température ambiante pour produire de grandes quantités d'hydrogène. Le gallium a été facilement récupéré pour être réutilisé après la réaction, ce qui donne 90% de l'hydrogène qui pourrait théoriquement être produit à partir de la réaction de tout l'aluminium dans le composite.

Nous n'avons besoin d'aucun apport d'énergie, et l'hydrogène bouillonne comme un fou. Je n'ai jamais rien vu de tel.

Des bulles d'hydrogène gazeux sont générées par la réaction de l'eau avec un composite aluminium-gallium. Les films de la réaction sont disponibles en ligne. (Crédit : Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

La réaction de l'aluminium et du gallium avec l'eau est connue depuis les années 1970, et des vidéos de celle-ci sont faciles à trouver en ligne. Cela fonctionne parce que le gallium, un liquide juste au-dessus de la température ambiante, élimine le revêtement passif d'oxyde d'aluminium, permettant un contact direct de l'aluminium avec l'eau. La nouvelle étude, cependant, comprend plusieurs innovations et de nouvelles découvertes qui pourraient conduire à des applications pratiques.

Une demande de brevet américain est en cours sur cette technologie. Le dépôt international (PCT) sur lequel il se fonde est ici.

Les études précédentes avaient principalement utilisé des mélanges d'aluminium et de gallium riches en aluminium, ou dans certains cas des alliages plus complexes. Mais le laboratoire de Bakthan Singaram, professeur de chimie et de biochimie et co-auteur correspondant de l'étude, a découvert que la production d'hydrogène augmentait avec un composite riche en gallium. En fait, le taux de production d'hydrogène était si étonnamment élevé que les chercheurs ont pensé qu'il devait y avoir quelque chose de fondamentalement différent dans cet alliage riche en gallium.

Oliver a suggéré que la formation de nanoparticules d'aluminium pourrait expliquer l'augmentation de la production d'hydrogène, et son laboratoire disposait de l'équipement nécessaire à la caractérisation à l'échelle nanométrique de l'alliage. En utilisant la microscopie électronique à balayage et la diffraction des rayons X, les chercheurs ont montré la formation de nanoparticules d'aluminium dans un composite gallium-aluminium 3:1, qu'ils ont trouvé être le rapport optimal pour la production d'hydrogène.

La microscopie électronique à balayage du composite montre des nanoparticules d'aluminium dans une matrice de gallium. (Crédit : Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

Dans ce composite riche en gallium, le gallium sert à la fois à dissoudre le revêtement d'oxyde d'aluminium et à séparer l'aluminium en nanoparticules.

La fabrication du composite ne nécessitait rien de plus qu'un simple mélange manuel. Le composite peut être fabriqué avec des sources d'aluminium facilement disponibles, y compris des feuilles ou des canettes usagées, et le composite peut être stocké pendant de longues périodes en le recouvrant de cyclohexane pour le protéger de l'humidité.

Bien que le gallium ne soit pas abondant et soit relativement cher, il peut être récupéré et réutilisé plusieurs fois sans perdre en efficacité, a déclaré Singaram. Il reste à voir, cependant, si ce processus peut être mis à l'échelle pour être pratique pour la production commerciale d'hydrogène.

Ce travail a été partiellement soutenu par des fonds de la Fondation Ima Hernandez.

Ressources

Gabriella Amberchan, Isai Lopez, Beatriz Ehlke, Jeremy Barnett, Neo Y. Bao, A'Lester Allen, Bakthan Singaram et Scott RJ Oliver (2022) "Nanoparticules d'aluminium d'un composite Ga-Al pour le fractionnement de l'eau et la génération d'hydrogène" ACS Applied Nano Materials doi : 10.1021/acsanm.1c04331

Publié le 22 février 2022 dans Hydrogène, Production d'hydrogène, Nanotech | Lien permanent | Commentaires (6)