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加州理工化学工程师设计的清洁,低温方式分解水

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加利福尼亚理工学院(加州理工学院)的研究人员为氢气生产提供了一个可能的新途径,他们设计了一系列化学反应,使他们第一次以相对无毒,无腐蚀性的方式分解水低温。

由加州理工学院的沃伦和凯瑟琳·施林格化学工程教授马克·戴维斯(Mark Davis)领导的一个研究小组介绍了美国国家科学院(PNAS)号刊物的早期版本中的新的四反应过程。

氢气是一种令人垂涎的气体:工业将其用于从原油中去除硫磺到制造维生素。由于它的燃烧不会将二氧化碳排放到大气中,所以有人相信它甚至可以为潜在的“氢经济”(一种完全基于这种气体的能量输送系统)提供燃料。但是由于没有足够的氢气供应,所以这种比空气轻的气体必须大量生产。

制氢的一种方法是利用热量来分解水,产生纯氢和氧。被称为热化学水分解,这种方法是吸引人的,因为它可以利用其他过程中释放的过剩热量。到目前为止,已经尝试了两种方式:利用与太阳能集热器有关的高温(高于1000℃)的两个步骤;或者在“较低的温度”下进行多个步骤 - 低于1000℃,例如,核反应堆的余热可以驱动化学反应。

戴维斯感兴趣的是后一种方法,这实际上使他回到他的学术根源:他作为研究生的第一篇论文处理低温水分解循环,称为硫 - 碘系统,后来被试用供世界各地使用。尽管该循环在最高温度为850℃,但也产生许多有毒和腐蚀性的液体中间体,必须处理。该循环的高温对应物通常涉及较简单的反应和固体中间体 - 但在这种高温下产生过量热量的过程极少。戴维斯说:“我们想结合两全其美。 “我们想要像在高温循环中一样使用固体,所以我们可以避免这些毒性和腐蚀问题。但我们也想学习如何降低温度。“

博士后学者,主要作者徐秉钧和研究生雅秀德·巴威做的第一件事就是通过热力学的论证来证明水分解的两步低温循环将不实际。 “大自然告诉你'不行,'”戴维斯说。 “这实际上是一个关键点,告诉我们,我们不得不从两步走过程中走出去,这个指导指引我们走上了另一条颇有成果的道路。”

四反应循环团队想出了一个氧化锰和碳酸钠开始,是一个完全封闭的系统:第二步进入系统的水在每个循环过程中完全转化为氢气和氧气。这一点很重要,因为这意味着没有任何氢气或氧气丢失,循环可以反复运行,将水分解成两种气体。在当前的论文中,研究人员将他们新创建的循环进行五次运行,以显示可重复性。需要证明该循环可以运行数千次以便实用。这种类型的实验超出了戴维斯实验室目前的能力。

“我们对这个新的循环很感兴趣,因为化学反应是可行的,而且它可以让你在不产生任何卤化物或其他类型的腐蚀性酸的情况下,进行真正的热化学水分解,温度达到850〜°℃在过去,“戴维斯说。尽管如此,他还是要小心的指出,将循环作为一个功能正常的水分解系统将需要巧妙的工程。例如,为了实际的目的,工程师们希望一些反应速度更快,而且他们还需要建造反应堆 在循环的不同阶段有高效的能量流动和循环利用。

展望未来,团队计划在分子水平进一步研究循环的化学性质。他们已经知道,在氧化锰中进出钠是降低操作温度的关键,但他们想知道更多关于在这些步骤中究竟发生了什么。他们希望增进了解,使他们能够设计出可以在更低的最高温度下运行的循环。

找出降低工作温度的方法是戴维斯对这个项目感兴趣的核心。他说:“我们要问的是,”世界各地的人们正在以热量的形式扔掉能源,在哪里呢?“他推测,水厂可能会有一天能够运行在钢铁和制铝工业和石化工业等各种制造业所产生的热量之上,新一代产业。他说:“我们用来驱动这些水分解过程的温度越低,我们就越可以利用人们正在浪费的能量。”

PNAS论文“低温,氧化锰基热化学水分解循环“现已上线。这项工作由Lewis W. van Amerongen先生和夫人的捐款资助。



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