کاهش هزینه‌های سوخت هیدروژن در نمونه های راکتورهای جدید

23 مه 2022 -توسط مت شیپمن، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی

محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی تکنیک جدیدی را برای استخراج گاز هیدروژن از حامل‌های مایع ایجاد کرده‌اند که نسبت به روش‌های قبلی سریع‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر است.

میلاد ابوالحسنی، نویسنده مسئول مقاله و دانشیار مهندسی شیمی و بیومولکولی در مورد فناوری جدید می گوید: «هیدروژن به طور گسترده به عنوان یک منبع انرژی پایدار برای حمل و نقل در نظر گرفته می شود، اما برخی موانع فنی وجود دارد که قبل از اینکه بتوان آن را جایگزینی عملی برای فناوری های موجود دانست، باید بر آنها غلبه کرد.. یکی از موانع بزرگ برای پذیرش اقتصاد هیدروژنی هزینه ذخیره سازی و حمل و نقل است.

سوخت هیدروژن باعث انتشار CO2 نمی شود و با استفاده از زیرساخت‌های موجود، می‌توان ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن را در پمپ بنزین‌های موجود مستقر کرد. اما انتقال گاز هیدروژن خطرناک است، بنابراین هیدروژن باید از طریق یک حامل مایع منتقل شود. یک مانع کلیدی برای این استراتژی این است که استخراج هیدروژن از حامل مایع در سایت‌های مقصد، مانند ایستگاه‌های سوخت، انرژی بر و پرهزینه است.

ابوالحسنی می گوید: «تحقیقات قبلی نشان داده است که تنها با استفاده از نور خورشید می توان از فتوکاتالیست برای آزادسازی گاز هیدروژن از حامل مایع استفاده کرد. با این حال، تکنیک‌های موجود برای انجام این کار پر زحمت، زمان‌بر و به مقدار قابل‌توجهی از رودیوم – فلزی که بسیار گران است- نیاز داشت.

ملک ابراهیم، ​​نویسنده اول مقاله و یکی از اعضای سابق این موضوع محقق فوق دکترا در ایالت نیویورک ، می‌گوید: «ما تکنیکی را توسعه داده‌ایم که از یک فوتوکاتالیست قابل استفاده مجدد و نور خورشید برای استخراج گاز هیدروژن از حامل مایع آن سریعتر و با استفاده از رودیوم کمتر استفاده می‌کند و کل فرآیند را به میزان قابل توجهی ارزان‌تر می‌کند.». علاوه بر این، تنها محصولات جانبی گاز هیدروژن و خود حامل مایع است که می‌تواند به طور مکرر مورد استفاده مجدد قرار گیرد. بسیار پایدار است.

یکی از کلیدهای موفقیت تکنیک جدید این است که راکتوری با جریان پیوسته است. راکتور شبیه یک لوله نازک و شفاف پر از شن است. “شن” از دانه های اکسید تیتانیوم در مقیاس میکرونی تشکیل شده است که بسیاری از آنها با رودیوم پوشیده شده اند. مایع حامل هیدروژن به یک انتهای لوله پمپ می شود. ذرات پوشش داده شده با رودیوم در قسمت بیرونی لوله قرار گرفته اند، جایی که نور خورشید می تواند به آنها برسد. این ذرات کاتالیزورهای واکنش نوری هستند که در حضور نور خورشید با حامل مایع واکنش داده و مولکول های هیدروژن را به صورت گاز آزاد می کنند.

محققان به طور دقیق سیستم را طوری مهندسی کردند که فقط دانه‌های بیرونی اکسید تیتانیوم با رودیوم پوشانده شود، و اطمینان حاصل شود که سیستم از رودیوم بیشتر از حد لازم استفاده نمی‌کند.

ابوالحسنی می گوید: در یک راکتور ناپیوسته معمولی، 99 درصد فوتوکاتالیست را اکسید تیتانیوم و 1 درصد آن را رودیوم تشکیل می دهد. در راکتور جریان پیوسته ما، ما فقط نیاز به استفاده از رودیوم 0.025٪ داریم که تفاوت زیادی در هزینه نهایی ایجاد می کند. یک گرم رودیوم بیش از 500 دلار قیمت دارد.

در نمونه اولیه راکتور خود، محققان توانستند به بازده 99 درصدی دست یابند – به این معنی که 99 درصد مولکول های هیدروژن از حامل مایع آزاد شدند – در سه ساعت.

ابراهیم می‌گوید: «این هشت برابر سریع‌تر از راکتورهای دسته‌ای معمولی است که 24 ساعت طول می‌کشد تا به بازدهی 99 درصدی برسند و سیستم باید به راحتی بزرگ شود یا بزرگ شود تا امکان استفاده مجدد از کاتالیزور در مقیاس تجاری فراهم شود – شما به سادگی می توانید لوله را طولانی تر کنید یا چندین لوله را که به صورت موازی کار می کنند ادغام کنید.

سیستم جریان می تواند به طور مداوم تا 72 ساعت قبل از کاهش راندمان کار کند. در این مرحله، کاتالیزور را می توان بدون خارج کردن آن از راکتور “بازسازی” کرد – این یک فرآیند تمیز کردن ساده است که حدود شش ساعت طول می کشد. سپس می توان سیستم را مجددا راه اندازی کرد و تا 72 ساعت دیگر با کارایی کامل کار کرد.

ایالت NC یک حق اختراع موقت برای این فناوری ثبت کرده است.

این تحقیق در مجله ChemSusChem منتشر شد.