I chimici dell'UCSC sviluppano il gallio

I chimici dell’UC Santa Cruz hanno sviluppato un metodo semplice per produrre nanoparticelle di alluminio che dividono l’acqua e generano rapidamente idrogeno gassoso in condizioni ambientali. La reazione di scissione dell'acqua non richiede un potenziale applicato e funziona in condizioni ambientali e pH neutro per generare rapidamente 130 mL (5,4 mmol) di idrogeno per grammo di lega. Un articolo sul loro lavoro è pubblicato sulla rivista ACS Applied Nano Materials.

L'alluminio è un metallo altamente reattivo che può sottrarre ossigeno alle molecole d'acqua per generare gas idrogeno. Il suo ampio utilizzo in prodotti che si bagnano non presenta alcun pericolo perché l'alluminio reagisce istantaneamente con l'aria per acquisire uno strato di ossido di alluminio, che blocca ulteriori reazioni.

Per anni, i ricercatori hanno cercato di trovare modi efficienti ed economici per utilizzare la reattività dell'alluminio per generare combustibile a idrogeno pulito. Un nuovo studio condotto dai ricercatori dell’UCSC mostra che un composto facilmente prodotto di gallio e alluminio crea nanoparticelle di alluminio che reagiscono rapidamente con l’acqua a temperatura ambiente per produrre grandi quantità di idrogeno. Il gallio è stato facilmente recuperato per essere riutilizzato dopo la reazione, che produce il 90% dell'idrogeno che teoricamente potrebbe essere prodotto dalla reazione di tutto l'alluminio nel composito.

Non abbiamo bisogno di alcun apporto di energia e l'idrogeno bolle come un matto. Non ho mai visto niente del genere.

Bolle di idrogeno gassoso vengono generate dalla reazione dell'acqua con un composito di alluminio-gallio. I filmati della reazione sono disponibili online. (Credito: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

La reazione dell'alluminio e del gallio con l'acqua è nota fin dagli anni '70 e i video sono facili da trovare online. Funziona perché il gallio, un liquido appena al di sopra della temperatura ambiente, rimuove il rivestimento passivo di ossido di alluminio, consentendo il contatto diretto dell'alluminio con l'acqua. Il nuovo studio, tuttavia, include diverse innovazioni e nuove scoperte che potrebbero portare ad applicazioni pratiche.

Per questa tecnologia è in corso una domanda di brevetto statunitense. Il documento internazionale (PCT) su cui si basa è qui.

Gli studi precedenti avevano utilizzato principalmente miscele di alluminio e gallio ricche di alluminio, o in alcuni casi leghe più complesse. Ma il laboratorio di Bakthan Singaram, professore di chimica e biochimica e coautore dello studio, ha scoperto che la produzione di idrogeno aumenta con un composito ricco di gallio. In effetti, il tasso di produzione di idrogeno era così inaspettatamente alto che i ricercatori hanno pensato che dovesse esserci qualcosa di fondamentalmente diverso in questa lega ricca di gallio.

Oliver ha suggerito che la formazione di nanoparticelle di alluminio potrebbe spiegare l’aumento della produzione di idrogeno e il suo laboratorio disponeva dell’attrezzatura necessaria per la caratterizzazione su scala nanometrica della lega. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione e la diffrazione dei raggi X, i ricercatori hanno mostrato la formazione di nanoparticelle di alluminio in un composito gallio-alluminio 3:1, che hanno scoperto essere il rapporto ottimale per la produzione di idrogeno.

La microscopia elettronica a scansione del composito mostra nanoparticelle di alluminio in una matrice di gallio. (Credito: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

In questo composito ricco di gallio, il gallio serve sia a dissolvere il rivestimento di ossido di alluminio sia a separare l'alluminio in nanoparticelle.

La realizzazione del composito non richiedeva altro che una semplice miscelazione manuale. Il composito può essere realizzato con fonti di alluminio facilmente disponibili, compresi fogli o lattine usate, e il composito può essere conservato per lunghi periodi coprendolo con cicloesano per proteggerlo dall'umidità.

Anche se il gallio non è abbondante ed è relativamente costoso, può essere recuperato e riutilizzato più volte senza perdere efficacia, ha affermato Singaram. Resta da vedere, tuttavia, se questo processo potrà essere ampliato per essere pratico per la produzione commerciale di idrogeno.

Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto dai fondi della Fondazione Ima Hernandez.

Risorse

Gabriella Amberchan, Isai Lopez, Beatriz Ehlke, Jeremy Barnett, Neo Y. Bao, A'Lester Allen, Bakthan Singaram e Scott RJ Oliver (2022) "Nanoparticelle di alluminio da un composito Ga-Al per la scissione dell'acqua e la generazione di idrogeno" ACS Applied Doi nanomateriali: 10.1021/acsanm.1c04331