（来源：MIT News）

可持续的清洁能源或许就在旧易拉罐和海水中。

麻省理工学院的工程师们发现，当易拉罐暴露在海水中时，其中的铝使溶液产生气泡并自然生成氢气——这种气体可用于发动机或燃料电池，而不会产生碳排放。更重要的是，再添加一种很常见的兴奋剂——咖啡因，还能加快这个简单的反应。

7 月 25 日发表在 Cell Reports Physical Science 期刊的一项研究中，研究人员表明，他们可以通过将预处理过的、鹅卵石大小的铝颗粒投入一杯过滤后的海水中产生氢气。

（来源：Cell Reports Physical Science）

这些铝经过一种稀有金属合金的预处理，可以有效净化为能与海水反应生成氢气的纯铝。海水中的盐离子则可以吸引并回收这种合金，使其能够在一个可持续的循环中重复利用，从而生成更多的氢气。

将一颗鹅卵石大小的铝球投入装有过滤海水的烧杯中，伴随着气泡。几分钟就会产生氢气。麻省理工学院的工程师们正在优化这种简单的化学反应，将其作为一种高效可持续的方式来生产氢燃料，他们设想这种燃料可以为海船和水下交通工具上的发动机或燃料电池提供动力。（来源：MIT News）

该团队观察到，铝和海水之间的这种反应能成功产生氢气，但速度较慢。出于一时的突发奇想，他们将一些咖啡渣加入到反应混合物中，令他们惊讶的是，这一举动竟加快了反应的速度。

最终，课题组发现低浓度的咪唑——咖啡因中的一种活性成分——就足以加快反应速度，在短短五分钟内产生与未添加兴奋剂时两小时的氢气。

研究人员正在开发一种可以在海船或水下交通工具上运行的小型反应堆。这些容器将储备一定量的铝球（从旧易拉罐和其他铝制品中回收），以及少量的镓铟和咖啡因。这些成分定期与周围的海水一起注入反应堆，按需产生氢气，从而为船上的发动机提供燃料或者为船舶供电。

“对于像船只或水下交通工具这样的海事应用来说，这非常有趣，因为你不必随身携带海水——它随处可得，”该研究的主要作者、麻省理工学院机械工程系的博士生 Aly Kombargi 说，“我们也不必携带一罐氢气。将铝作为‘燃料’，只需加水就能产生我们需要的氢气。”

这项研究的合著者包括化学工程专业的本科生 Enoch Ellis，创立了一家回收铝作为氢燃料来源公司的 Peter Godart 博士以及麻省理工学院机械工程教授 Douglas Hart。

防护层启动

由 Hart 领导的麻省理工学院团队正在开发高效且可持续的制氢方法，氢气被视为一种“绿色”能源，可以为发动机和燃料电池提供动力，而不会产生导致气候变暖的排放物。

用氢气为车辆提供燃料的一个缺点是，需要像传统汽油那样将气体装在油箱中——鉴于氢气的挥发性，这样的设计存在风险。Hart 和他的团队转而寻求一种无需持续运输氢气就能为车辆提供动力的方法。

他们从铝中找到了一种可行方案——铝是一种天然丰富且稳定的材料，当与水接触时，会发生化学反应，产生氢气和热量。

然而，这个反应存在一种两难的情况：虽然铝与水混合时可以产生氢气，但只有在纯净、暴露的状态下才能做到。铝一旦与氧气接触（如空气中的氧气），表面会立即形成一层薄薄的、氧化物保护层，阻止进一步的反应。这就是为什么把一个易拉罐丢进水里时，氢气不会立即冒出。这种屏障就是当你将汽水罐扔进水中时氢气不会立即冒泡的原因。

在先前的研究中，团队发现可以通过在淡水中，用少量特定浓度的镓和铟制成的稀有金属合金对铝进行预处理，来突破铝的保护层，并保持与水进行反应。这种合金充当“活化剂”防止氧化物积聚，创造出一个可以与水反应的纯铝表面。

当他们在淡水和去离子水中进行反应时，发现一个预处理过的铝颗粒在短短五分钟内就能产生 400 毫升的氢气。他们估计，仅 1 克的铝颗粒在同样的时间内可以生成 1.3 升氢气。

然而，要进一步扩大系统规模，则需要大量供应相对昂贵和稀有的镓铟合金。“为了让这个想法具有成本效益和可持续性，我们必须研究出反应后回收这种合金的方法。”Kombargi 说。

在海边

在团队的新研究中，他们发现可以使用离子溶液来回收和再利用镓铟。离子——带电的原子或分子——能保护金属合金不与水发生反应，并帮助其沉淀成可舀出并重复使用的形式。

“我们很幸运，海水是一种离子溶液，非常便宜且容易获取，”Kombargi 说，他用附近海滩的海水测试了这个想法。“我真的和一个朋友去了里维尔海滩，我们拿着瓶子装满了水，然后我过滤掉了海藻和沙子，加入铝，效果一样好。”

他发现，当他把铝加到装有过滤海水的烧杯中时，确实有氢气冒泡。而且之后他能够把镓铟舀出来。但这个反应在海水中发生的速度比在淡水中慢得多。事实证明，海水中的离子起到了屏蔽镓铟的作用，使其在反应后能够聚结并被回收。但这些离子对铝也有类似的作用，形成了一个屏障，减缓了它与水的反应。

当他们寻找加快海水中反应的方法时，研究人员尝试了各种不同寻常的成分。

“我们只是在厨房里摆弄东西，发现当我们把咖啡渣加入海水中，然后放入铝球时，与只用海水相比，反应相当快，”Kombargi 说。

为了弄清楚加速的原因，团队向麻省理工学院化学系的同事求助，他们建议尝试咪唑——咖啡因中的一种活性成分，它恰好具有能够穿透铝（使材料继续与水反应）的分子结构，同时保持镓铟的离子护盾完整。

“这是我们的重大胜利，”Kombargi 说。“我们得到了想要的一切：回收了镓铟，还有快速高效的反应。”

研究人员认为他们已经掌握了运行可持续氢反应堆的基本要素。他们计划首先在海船和水下交通工具上进行测试。他们计算出，这样一个装有约 40 磅铝球的反应堆，通过抽取周围海水产生的氢气可以为一个小型水下滑翔机提供约 30 天的动力。

“这是一种生产氢燃料的新方法，不用携带氢气，而是把铝作为‘燃料’，”Kombargi 说。“接下来的部分是要弄清楚如何将其用于卡车、火车，还有飞机。也许，我们不必再携带水，而是可以从周围的湿度中提取水来产生氢气，这将是未来的发展方向。”

原文链接

https://news.mit.edu/2024/recipe-for-zero-emissions-fuel-with-cans-seawater-caffeine-0725