2024年05月23日 星期四
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麻省理工学院的研究人员:从岩石中提取氢的愿景正逐步实现

2024/4/23 0:00:001292

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人们普遍认为,宇宙中最丰富的元素氢主要与其他元素一起存在,例如水中的氧和甲烷中的碳。 但地下天然存在的纯氢正在打破这一概念,并作为一种潜在的无限无碳能源而引起人们的关注。

美国能源部是感兴趣的机构之一,该部上个月向来自实验室、大学和私营公司的 18 个团队提供了 2000 万美元的研究经费,用于开发能够从地下生产廉价清洁燃料的技术。

众所周知,地质氢是当水与富含铁的岩石发生反应导致铁氧化时产生的。麻省理工学院助理教授 Iwnetim Abate 的研究小组是资助者之一,他们将利用 130 万美元的资助来确定地下生产氢气的理想条件——考虑引发化学反应的催化剂、温度、压力和 pH 值等因素。目标是提高大规模生产的效率,以具有竞争力的成本满足全球能源需求。

美国地质调查局估计,地壳中可能埋藏着数十亿吨地质氢。全世界都发现了矿藏,许多初创公司正在寻找可提取的矿藏。 Abate正在寻求启动天然氢气生产过程,实施涉及刺激生产和收集气体的主动方法。

材料科学与工程系的教授 Abate 表明“我们的目标是优化反应参数,使反应更快,并以经济可行的方式生产氢气。 Abate的研究重点是设计可再生能源转型的材料和技术,包括下一代电池和新颖的能源存储化学方法。

激发创新

当世界各国政府都在寻求替代石油和天然气的无碳能源时,人们对地质氢的兴趣正在增长。去年12月,法国总统马克龙表示,他的政府将为勘探天然氢气提供资金。今年2月,政府和私营部门的证人向美国国会议员介绍了从地下提取氢气的机会。

目前,商业氢气的生产价格为每2美元/公斤,主要用于化肥、化工和钢铁生产,但大多数方法都涉及燃烧化石燃料,这会释放出造成温室效应的碳。用可再生能源生产的绿色氢很有前途,但7美元/公斤的价格太贵了。

美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)的项目主管道Douglas Wicks:“如果你能以1美元/公斤的价格获得氢气,在能源价格基础上就能与天然气竞争。

获得ARPA-E资助的公司包括科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)、德克萨斯理工大学(Texas Tech University)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory),以及一些私营公司,其中包括获得亚马逊和比尔·盖茨资助的氢气生产初创公司Koloma。这些项目本身是多种多样的,从应用工业石油和天然气方法生产和提取氢气,到开发模型以了解岩石中氢气的形成。

“在地质氢气中,我们不知道如何加速它的产生,因为它是一种化学反应,我们也不知道如何设计地下,以便我们可以安全地提取它,” Wicks说。“我们正在努力引入每个不同团队的最佳技能来解决这个问题,我们的想法是,整个团队应该能够在相当快的时间内给我们提供好的答案。”

地球化学家 Viacheslav Zgonnik 是天然氢领域最重要的专家之一,他也认为未知数很长,通往第一个商业项目的道路也很长。但他表示,刺激氢气生产的努力——利用水和岩石之间的自然反应——呈现出巨大的潜力

自然能源公司是一家总部位于丹佛的初创公司,拥有用于勘探钻探的矿产租赁。自然能源公司(Natural Hydrogen Energy) 的首席执行官兼创始人 Zgonnik 表示:我们的想法是找到加速并控制反应的方法,这样我们就可以在特定地点按需生产氢气,如果我们能够实现这一目标,这意味着我们有可能用受激氢替代化石燃料。 

规模化实验

Abate和他实验室的研究人员正在制定一种液体配方,这种液体将引发化学反应,从而引发岩石中的氢气产生。 博士后Yifan Gao说,主要成分是水,该团队正在测试简单的催化剂材料,这些材料将加速反应,从而增加氢气的产生量。

Yifan Gao 表明,“一些催化剂非常昂贵且难以生产,需要复杂的生产或准备,廉价且丰富的催化剂将使我们能够提高生产率——这样,我们就能以经济上可行的速度生产它,而且也能获得经济上可行的产量。

发生化学反应的富含铁的岩石遍布美国和世界各地。为了优化各种地质成分和环境中的反应,AbateGao正在开发他们所谓的高通量系统,该系统由人工智能软件和机器人组成,以测试不同的催化剂混合物并模拟应用于岩石时会发生什么。不同的地区,具有不同的外部条件,例如温度和压力。

Abate测量了每种可能的组合产生了多少氢气,然后利用人工智能从实验中学习并向我们提供建议,该团队正在就其项目撰写一篇论文,并计划在未来几个月内发布其研究结果。在开发催化剂配方之后,该项目的下一个里程碑是设计一个具有两个用途的反应器。 首先,配备拉曼光谱等技术,研究人员将能够识别和优化化学条件,从而提高氢气生产的速率和产量。该实验室规模的设备还将为现实世界反应器的设计提供信息,该反应器可以加速现场氢气的生产。

这个跨学科项目还利用了麻省理工学院机械工程和 DMSE 系的 Yang Shao-Horn 的专业知识,对催化剂进行计算分析,以及康奈尔大学科学家 Esteban Gazel,他将利用他在地质学和地球化学方面的专业知识。 他将重点了解美国和全球富含铁的超镁铁质岩层以及它们如何与水发生反应。

对于 ARPA-E 的威克斯来说,Abate和其他资助者提出的问题只是未知能源领域的第一步,也是关键的一步。Wicks 说:“如果我们能够了解如何刺激这些岩石产生氢气,并安全地将其释放出来,那么它就真正释放了潜在的能源。”然后,新兴行业将寻求石油和天然气的钻井、管道和天然气开采技术。


翻译人:沈亚皓

来源:https://fuelcellsworks.com/news/mit-researchers-extracting-hydrogen-from-rocks/