배출가스 제로 연료를 위한 레시피: 탄산음료 캔, 바닷물, 카페인

청정 에너지의 지속 가능한 원천은 오래된 음료수 캔과 바닷물에 있을 수 있습니다.

MIT 엔지니어들은 탄산음료 캔의 알루미늄이 순수한 형태로 노출되어 바닷물과 혼합되면 용액이 거품을 일으키고 자연적으로 수소를 생성한다는 사실을 발견했습니다. 이 가스는 이후에 탄소 배출을 발생시키지 않고 엔진이나 연료 전지에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. . 게다가, 이 간단한 반응은 일반적인 자극제인 카페인을 첨가함으로써 가속화될 수 있습니다.

오늘 저널에 실린 연구에서 셀 보고서 물리 과학, 연구진은 전처리된 조약돌 크기의 알루미늄 펠릿을 여과된 바닷물이 담긴 비커에 떨어뜨려 수소 가스를 생산할 수 있음을 보여주었습니다. 알루미늄은 알루미늄을 바닷물과 반응하여 수소를 생성할 수 있는 순수한 형태로 효과적으로 제거하는 희소금속 합금으로 전처리됩니다. 바닷물의 염 이온은 지속 가능한 사이클에서 더 많은 수소를 생성하기 위해 재사용될 수 있는 합금을 끌어당기고 회수할 수 있습니다.

연구팀은 알루미늄과 바닷물의 반응이 비록 느리지만 성공적으로 수소 가스를 생성한다는 사실을 발견했다. 그들은 종달새에 커피 가루를 믹스에 던졌고 놀랍게도 반응 속도가 빨라지는 것을 발견했습니다.

그 결과, 연구진은 카페인의 활성 성분인 이미다졸의 농도가 낮으면 반응 속도가 크게 빨라져 자극제를 첨가하지 않은 상태에서 2시간에 비해 단 5분 만에 같은 양의 수소가 생성된다는 사실을 발견했습니다. .

연구원들은 해양 선박이나 수중 차량에서 작동할 수 있는 소형 원자로를 개발하고 있습니다. 이 선박에는 소량의 갈륨-인듐 및 카페인과 함께 알루미늄 펠릿(오래된 음료수 캔 및 기타 알루미늄 제품에서 재활용)이 공급됩니다. 이러한 성분은 주변 해수 일부와 함께 주기적으로 반응기로 유입되어 필요에 따라 수소를 생산할 수 있습니다. 그러면 수소는 탑재된 엔진에 연료를 공급하여 모터를 구동하거나 전기를 생성하여 선박에 전력을 공급할 수 있습니다.

MIT 기계공학과 박사과정 학생이자 연구 책임자인 Aly Kombargi는 "해수를 가지고 다닐 필요가 없기 때문에 보트나 수중 차량과 같은 해양 응용 분야에 매우 흥미롭습니다. 즉, 쉽게 사용할 수 있습니다"라고 말했습니다. "우리는 또한 수소 탱크를 가지고 다닐 필요가 없습니다. 대신에 우리는 '연료'로 알루미늄을 운반하고 필요한 수소를 생산하기 위해 물만 추가하면 됩니다."

이번 연구의 공동 저자로는 화학 공학 학부생인 Enoch Ellis; 알루미늄을 수소 연료의 원천으로 재활용하기 위해 회사를 설립한 Peter Godart PhD '21; MIT 기계공학과 교수인 Douglas Hart도 있습니다.

쉴드업

Hart가 이끄는 MIT 팀은 기후 온난화 배출을 생성하지 않고 엔진과 연료 전지에 전력을 공급할 수 있는 "녹색" 에너지원으로 간주되는 수소 가스를 생산하는 효율적이고 지속 가능한 방법을 개발하고 있습니다.

수소로 차량에 연료를 공급할 때의 한 가지 단점은 일부 설계에서는 가스를 탱크의 기존 휘발유처럼 차량에 운반해야 한다는 것입니다. 이는 수소의 휘발성 잠재력을 고려할 때 위험한 설정입니다. 대신 Hart와 그의 팀은 가스 자체를 지속적으로 운반할 필요 없이 수소로 차량에 전력을 공급하는 방법을 모색했습니다.

그들은 물과 접촉할 때 수소와 열을 생성하는 간단한 화학 반응을 겪는 자연적으로 풍부하고 안정적인 물질인 알루미늄에서 가능한 해결 방법을 발견했습니다.

그러나 반응에는 일종의 Catch-22가 있습니다. 알루미늄은 물과 혼합될 때 수소를 생성할 수 있지만 순수하고 노출된 상태에서만 수소를 생성할 수 있습니다. 알루미늄이 공기 중에서 산소와 만나는 순간 표면은 즉시 얇은 방패 모양의 산화물 층을 형성하여 추가 반응을 방지합니다. 이 장벽은 탄산음료 캔을 물에 떨어뜨렸을 때 수소가 즉시 거품을 일으키지 않는 이유입니다.

이전 연구에서 담수를 사용하여 팀은 특정 농도의 갈륨과 인듐으로 만든 소량의 희귀 금속 합금으로 알루미늄을 전처리함으로써 알루미늄의 보호막을 뚫고 물과의 반응을 유지할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 합금은 "활성화제" 역할을 하여 축적된 산화물을 제거하고 물과 자유롭게 반응하는 순수한 알루미늄 표면을 만듭니다. 신선한 탈이온수에서 반응을 실행했을 때, 전처리된 알루미늄 펠릿 하나가 단 5분 만에 400밀리리터의 수소를 생산한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 단지 1g의 펠렛이 같은 시간에 1.3리터의 수소를 생성할 것이라고 추정합니다.

그러나 시스템을 더욱 확장하려면 상대적으로 비싸고 희귀한 갈륨 인듐의 상당한 공급이 필요합니다.

"이 아이디어가 비용 효율적이고 지속 가능하기 위해 우리는 이 합금 후반응을 회복하는 작업을 해야 했습니다"라고 Kombargi는 말했습니다.

바다로

팀의 새로운 연구에서 그들은 이온 용액을 사용하여 갈륨 인듐을 회수하고 재사용할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이온(전하를 지닌 원자 또는 분자)은 금속 합금이 물과 반응하는 것을 방지하고 퍼서 재사용할 수 있는 형태로 침전되도록 돕습니다.

인근 해변의 바닷물을 사용하여 아이디어를 테스트한 Kombargi는 "우리에게 다행인 것은 바닷물이 매우 저렴하고 이용 가능한 이온 용액이라는 점입니다."라고 말합니다. "말 그대로 친구와 함께 Revere Beach에 가서 병을 들고 병을 채운 다음 해조류와 모래를 걸러내고 거기에 알루미늄을 추가했는데 동일한 일관된 결과가 나왔습니다."

그는 여과된 바닷물이 담긴 비이커에 알루미늄을 첨가했을 때 실제로 수소가 거품을 내는 것을 발견했습니다. 그리고 그는 나중에 갈륨인듐을 퍼낼 수 있었습니다. 그러나 반응은 담수에서보다 훨씬 느리게 일어났습니다. 바닷물의 이온은 갈륨 인듐을 보호하는 역할을 하여 반응 후에 합체되어 회수될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 이온은 알루미늄에도 비슷한 효과를 주며, 물과의 반응을 늦추는 장벽을 형성합니다.

연구진은 바닷물에서 반응 속도를 높이는 방법을 모색하면서 다양하고 색다른 재료를 시도했다.

Kombargi는 "우리는 부엌에 있는 것들을 가지고 놀다가 커피 찌꺼기를 바닷물에 넣고 알루미늄 펠릿을 떨어뜨렸을 때 반응이 바닷물보다 상당히 빠르다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다.

속도 향상을 설명할 수 있는 것이 무엇인지 알아보기 위해 팀은 MIT 화학과의 동료들에게 연락하여 이미다졸(알루미늄을 뚫을 수 있는 분자 구조를 가진 카페인의 활성 성분)을 사용해 보라고 제안했습니다. 물과 반응), 갈륨 인듐의 이온 보호막은 그대로 유지됩니다.

"그것은 우리의 큰 승리였습니다"라고 Kombargi는 말했습니다. "우리는 갈륨 인듐 회수와 빠르고 효율적인 반응 등 우리가 원하는 모든 것을 갖추고 있었습니다."

연구원들은 지속 가능한 수소 원자로를 운영하는 데 필수적인 요소가 있다고 믿습니다. 그들은 먼저 해양 및 수중 차량에서 테스트할 계획이다. 그들은 약 40파운드의 알루미늄 펠릿을 수용하는 그러한 원자로가 주변 해수를 펌핑하고 모터에 전력을 공급하기 위해 수소를 생성함으로써 약 30일 동안 소형 수중 글라이더에 전력을 공급할 수 있다고 계산했습니다.

"우리는 수소를 운반하지 않고 알루미늄을 '연료'로 운반하는 수소 연료를 생산하는 새로운 방법을 보여주고 있습니다."라고 Kombargi는 말합니다. "다음 부분은 이것을 트럭, 기차, 비행기에 어떻게 사용하는지 알아내는 것입니다. 아마도 물을 운반하는 대신 주변 습도에서 물을 추출하여 수소를 생산할 수 있을 것입니다. 그게 바로 목표입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240725154708.htm