Terwijl auto's die worden aangedreven door waterstofbrandstofcellen duidelijke voordelen bieden ten opzichte van de elektrische voertuigen die steeds populairder worden (inclusief hun grotere actieradius, hun lagere totale milieu-impact, en het feit dat ze in enkele minuten kunnen worden bijgetankt, versus uren oplaadtijd), ze moeten nog van de grond komen met consumenten. Een reden is de hoge kosten en complexiteit van het produceren, verspreiden van, en het opslaan van de pure waterstof die nodig is om ze van stroom te voorzien, die de uitrol van waterstoftankstations heeft belemmerd.

Ingenieurs erkennen al lang de kracht en de onbeperkte beschikbaarheid van waterstof, het meest voorkomende element in het universum. Waterstof komt van nature voor in het milieu, maar het is bijna altijd chemisch gebonden aan andere elementen - aan zuurstof in water (H2O), bijvoorbeeld, of tot koolstof in methaan (CH4). Om zuivere waterstof te verkrijgen, het moet worden gescheiden van een van deze moleculen. Vrijwel alle waterstof die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, wordt gewonnen uit koolwaterstofbrandstoffen, voornamelijk aardgas, door middel van stoomreforming, een meerstapsproces waarbij de koolwaterstoffen reageren met stoom op hoge temperatuur in aanwezigheid van een katalysator om koolmonoxide te produceren, kooldioxide, en moleculaire waterstof (H2).

De waterstof kan dan via een omslachtige, meerstaps chemisch proces, maar de kosten en complexiteit van waterstofproductie kunnen worden verminderd door een membraan te gebruiken om de scheiding uit te voeren. De meeste waterstofscheidingsmembranen die momenteel worden ontwikkeld, maken gebruik van het edelmetaal palladium, die een ongewoon hoge waterstofoplosbaarheid en permeabiliteit heeft (wat betekent dat waterstof gemakkelijk oplost in en door het metaal gaat, terwijl andere gassen zijn uitgesloten). Maar palladium is duur (het wordt momenteel verkocht voor ongeveer $ 900 per ounce) en kwetsbaar.

Om deze redenen, chemische ingenieurs hebben lang gezocht naar alternatieven voor palladium voor gebruik in waterstofscheidingsmembranen, maar tot nu toe, er zijn geen geschikte kandidaten naar voren gekomen. Een baanbrekende studie onder leiding van Ravindra Datta, hoogleraar chemische technologie aan het Worcester Polytechnic Institute (WPI), heeft mogelijk het lang ongrijpbare alternatief voor palladium geïdentificeerd:vloeibare metalen.

Een groot aantal metalen en legeringen is vloeibaar bij de standaard bedrijfstemperaturen die worden aangetroffen in stoomreformingsystemen (ongeveer 500 graden C), en de meeste hiervan zijn veel minder duur dan palladium. In aanvulling, een membraan gemaakt met een film van vloeibaar metaal mag niet gevoelig zijn voor de defecten en scheuren die een palladiummembraan onbruikbaar kunnen maken.

Het WPI-onderzoek, gepubliceerd in de Tijdschrift van het American Institute of Chemical Engineers , is de eerste die aantoont dat naast deze voordelen, vloeibaar-metaalmembranen blijken ook significant effectiever te zijn dan palladium bij het scheiden van zuivere waterstof van andere gassen, wat suggereert dat ze een praktische en effectieve oplossing kunnen bieden voor de uitdaging om betaalbare waterstof te leveren voor brandstofcelvoertuigen. "De recente verschuiving naar elektrische auto's is onomkeerbaar, " zei Datta. De volgende stap na elektrische voertuigen, hij en anderen geloven, is waterstof-brandstofvoertuigen - als de puzzel van de waterstofvoorziening is opgelost.

Net als elektrische auto's op batterijen, brandstofcelvoertuigen hebben elektromotoren. De motoren worden aangedreven door elektriciteit die in de brandstofcel wordt opgewekt wanneer waterstof en zuurstof worden gecombineerd in aanwezigheid van een katalysator (het enige "afvalproduct" is water). Terwijl ze zuurstof uit de lucht kunnen halen, de auto's moeten een voorraad zuivere waterstof hebben.

Veel onderzoekers hebben zich gericht op het verlagen van de kosten van die waterstof door betere en dunnere palladiummembranen te maken. Enkele van de meest geavanceerde membranen werden geproduceerd door de gepensioneerde WPI-professor in de chemische technologie, Yi Hua "Ed" Ma, WHO, met aanzienlijke financiering van de industrie en het Amerikaanse ministerie van Energie, pionierde een proces voor het binden van palladium aan een poreuze stalen buis, wat resulteert in palladiumlagen zo dun als 5 tot 10 micron.

Door de palladiumlaag dun te maken, neemt de flux van het membraan toe, of de snelheid waarmee zuivere waterstof er doorheen beweegt. "Maar als een membraan te dun is, "Datta zei, "het wordt breekbaar of het ontwikkelt defecten. En de membranen moeten vrij van defecten zijn. Als ze zelfs maar een haarscheurtje of een microporie ontwikkelen, je moet opnieuw beginnen."

Zes jaar geleden, Datta en zijn studenten begonnen zich af te vragen of vloeibare metalen enkele van de beperkingen van palladium zouden kunnen overwinnen - met name de kosten en kwetsbaarheid ervan - terwijl ook, mogelijk, biedt superieure waterstofoplosbaarheid en doorlaatbaarheid. "Naast chemische affiniteit, permeantie hangt af van hoe open een metalen kristalstructuur is, " zei hij. "Vloeibare metalen hebben meer ruimte tussen atomen dan vaste metalen, dus hun oplosbaarheid en diffusie moeten hoger zijn."

Nadat een literatuuronderzoek geen eerder onderzoek over dit onderwerp aan het licht bracht, Datta heeft met succes een prijs van $ 1 miljoen aangevraagd bij het Amerikaanse ministerie van Energie om de haalbaarheid te bestuderen van het gebruik van vloeibare metalen voor waterstofscheiding. hij en zijn team, afgestudeerde studenten Pei-Shan Yen en Nicholas Deveau (Yen promoveerde in 2016; Deveau promoveerde in mei), besloten hun exploratie te beginnen met gallium, een niet-toxisch metaal dat vloeibaar is bij kamertemperatuur.

Ze voerden fundamenteel werk uit waaruit bleek dat gallium een ​​uitstekende kandidaat was, omdat het een significant hogere waterstofpermeantie vertoonde dan palladium bij verhoogde temperaturen. In feite, laboratoriumstudies en theoretische modellering uitgevoerd door het team toonden aan dat een aantal metalen die vloeibaar zijn bij hogere temperaturen een betere waterstofpermeantie kunnen hebben dan palladium.

Terwijl vloeibaar gallium veelbelovend was als materiaal voor waterstofscheiding, het creëren van een functionerend membraan met het metaal bleek een uitdaging, zei Datta. "Het blijkt dat vloeibare metalen erg reactief zijn, " zei hij. "Je kunt gallium niet op een poreuze metalen drager plaatsen, zoals professor Ma deed met palladium, omdat het bij hogere temperaturen snel intermetallische verbindingen vormt die de permeabiliteit doden." Het team ontdekte dat het metaal ook zal reageren met een aantal keramische materialen die gewoonlijk worden gebruikt als dragers in palladiummembranen.

Door te modelleren en te experimenteren, ze stelden een lijst van materialen op, inclusief op koolstof gebaseerde materialen zoals grafiet en siliciumcarbide, die niet chemisch reageren met vloeibaar gallium maar die ook bevochtigbaar zijn door het vloeibare metaal, wat betekent dat het metaal zich zal uitspreiden om een ​​dunne film op het dragermateriaal te vormen.

Zich ervan bewust dat de oppervlaktespanning van vloeibare metalen waarschijnlijk zou veranderen als reactie op variaties in temperatuur en de samenstelling van de gassen waaraan ze werden blootgesteld, mogelijk lekkage veroorzaken, ze besloten het metaal tussen twee lagen ondersteunend materiaal te plaatsen om een ​​sandwiched vloeibaar-metaalmembraan of SLiMM te creëren. Een membraan bestaande uit een dunne (twee tienden van een millimeter) laag vloeibaar gallium tussen een laag siliciumcarbide en een laag grafiet, werd in het laboratorium gebouwd en getest op stabiliteit en waterstofpermeantie.

Het membraan werd gedurende twee weken blootgesteld aan een waterstofatmosfeer bij temperaturen variërend van 480 tot 550 ° C. De resultaten toonden aan dat de vloeibare galliumfilm tot 35 keer meer doorlaatbaar was voor waterstof dan een vergelijkbare laag palladium en dat diffusie van waterstof door het gesandwiched membraan was aanzienlijk hoger dan voor een typisch palladiummembraan. De test toonde ook aan dat de membranen selectief waren, alleen waterstof doorlaten.

"Deze tests bevestigden onze hypothese dat vloeibare metalen een geschikte kandidaat kunnen zijn voor waterstofscheidingsmembranen, "Datta zei, "wat suggereert dat deze materialen de lang gezochte vervanging voor palladium zouden kunnen zijn. Er zijn een groot aantal vragen die nog moeten worden beantwoord, inclusief of de kleine membranen die we in het laboratorium hebben gebouwd, kunnen worden opgeschaald en of de membranen bestand zullen zijn tegen stoffen die aanwezig zijn in gereformeerde gassen (inclusief koolmonoxide en zwavel) waarvan bekend is dat ze palladiummembranen vergiftigen.

"Maar door de haalbaarheid van ingeklemde vloeibaar-metaalmembranen aan te tonen, we hebben de deur geopend naar een veelbelovend nieuw gebied van onderzoek naar waterstofenergie, "Datta heeft toegevoegd, "want er zijn veel andere metalen en legeringen, voorbij gallium, die vloeibaar zijn bij 500 graden C. Het is een enorm open veld, wat betreft de materialen die u zou kunnen gebruiken. Ook, het stelt een groot aantal interessante wetenschappelijke vragen."