V reakci vody s kompozitem hliníku a galia vznikají bubliny plynného vodíku Kredit: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022.

… tato slova, kterými profesor chemie Scott Oliver z Kalifornské univerzity v Santa Cruz popisuje své dojmy z pokusů, při nichž se vlivem směsi hliníku a gallia uvolňoval z vody vodík, znějí téměř jako Archimedovo „HEUREKA!“ A kdyby slova byla projevem nadšení nad zcela novým objevem nabízejícím dostupné, nenáročné a ekologicky čisté řešení energetických problémů celého lidstva, jistě bychom váženému akademikovi odpustili i extatický běh ulicemi v rouše Adamově.

Jenže na téma rozklad vody pomocí dostupného hliníku upraveného mechanicky nebo legováním jinými kovy, případně mícháním s nekovy se toho popsalo již tolik, že nová zpráva, jakkoli slibná, budí naději i skepsi zároveň. Čistý hliník dokáže chvíli z vody produkovat vodík, ale jen do okamžiku, než ho povrchová vrstvička vznikajícího oxidu hlinitého od dalších reakcí velmi účinně izoluje. Na co tedy přišli na Kalifornské univerzitě?

Jeden z autorů, profesor Bakthan Singaram z Katedry chemie a biochemie prozradil, že vše začalo diskuzí s jeho studentem a dalším spoluautorem, Isaiem Lopezem, který motivován videi dostupnými na internetu dělal pokusy s výrobou vodíku z vody pomocí hliníku a galia doma v kuchyni. Už z toho je zřejmé, že nejde o zcela nový postup. Nicméně Singaram se rozhodl pedagogicky logicky a studentu navrhl, aby své experimenty dělal vědecky správným způsobem a v mnohem lepších, bezpečnějších podmínkách univerzitních laboratoří v rámci diplomové práce.

Gallium je při teplotě nad 30 °C kapalinou. Kredit: DaveHax, YouTube.

S galliem, který je kapalinou za normálního tlaku již při teplotě 30 °C se pokusničí již po desetiletí ve snaze udržet produkci vodíku z vody působením hliníku, protože odbourává tvořící se vrstvičku oxidu hlinitého blokující reakci. Autoři jsou ale přesvědčeni, že jejich studie přináší některé důležité inovace, které by mohly vést k praktickému využití, a tak vše přihlásili jako mezinárodní patent.

To, co lze z dostupných informací vydolovat je, že kalifornští chemikové zkoumali dvousložkový kompozit gallium – hliník, jehož syntéza probíhá bez potřeby inertní atmosféry nebo mechanické podpory. Kdo má čas a náladu, může shlédnout například toto video (stačí druhá polovina), v němž autor smirkovým papírem očištěný povrch hliníkové nápojové plechovky pokape tekutým galliem a nechá působit. Výsledek je překvapující.

Z hlediska struktury se v rozkladu vody osvědčila směs, v níž jsou nanočástice hliníku o velikosti 5 až 30 nm rozptýlené v galliu při atomovém poměru Ga : Al přibližně 3 : 1. "Tím vzniká mnohem větší množství vodíku, téměř kompletní ve srovnání s teoretickým výpočtem založeným na množství hliníku,“ tvrdí Olivier. Jak prokázaly testy, takto připravený kompozit uvolňoval vodík z vody destilované, kohoutkové, odpadní i mořské a výzkumníci s úspěchem otestovali i coca-colu. V optimálním případu 1 gram slitiny vygeneruje 130 ml (5,4 mmol) vodíku. A co se nákladů týče? Reakce probíhá spontánně za běžných podmínek, nevyžaduje energetické vstupy, zdrojem hliníku mohou být prý i alobalové folie z domácnosti nebo nápojové hliníkové plechovky. Drahé galium, které působí rozpouštění povlaku oxidu hlinitého na nanočásticích hliníku, se samotné nemění a je možné ho recyklovat pro opětovné mnohonásobné použití. Vyrobený Ga-Al kompozit lze před působením vzdušní vlhkosti chránit například cyklohexanem, a tak po relativně dlouhou dobu asi tří měsíců skladovat nebo převážet, což je mnohem jednodušší a levnější než taková manipulace s výsledným produktem – vodíkem. Jeho molekula je nejmenší ze všech, uniká, pokud jen trochu může a za vhodných podmínek třaskavě shoří na vodu.

Snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu zobrazuje nanočástice hliníku v matrici gallia. Kredit: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022.

Zní to všechno až podezřele dobře? Pojďme počítat. Za optimálních podmínek na produkci 1 m krychlového čistého vodíku by v přepočtu podle údajů bylo nutno 7, 7 kg kompozitu, v němž je necelý kilogram hliníku (při přibližném třetinovém zastoupení lehčích Al atomů). Vzácné galium prý lze mnohonásobně recyklovat a možná ho není nutné od hromadícího se oxidu hlinitého čistit, pravděpodobně stačí jen obnovit množství nezoxidovaných hliníkových nanočástic. I kdyby se zmíněných téměř 7 kg gallia využilo 100krát a vyprodukovalo se přitom těch maximálně 100 m³ vodíku, ke spotřebovaným asi 90 kilogramům hliníku bude nutné nakonec připočíst i cenu tohoto výrazně nákladnějšího kovu. Buď jeho celou hodnotu, nebo cenu jeho čištění, což nemusí být ani jednoduchý, ani levný proces. Případná redukce vzniklého oxidu hlinitého zpět na hliník je spornější – vyžaduje energeticky náročnou elektrolýzu, jejímž produktem je navíc oxid uhličitý, a ten je „fuj“. Vyvstane z této studie zastřešené patentovou přihláškou průmyslově významná výroba vodíku?

V kontextu s popsaným způsobem využití kompozitu gallia a hliníku stojí za povšimnutí rozbor „Využití hliníku a vody k výrobě čistého vodíkového paliva – kdy a kde je potřeba“, který před asi půlrokem nabídli vědci z MIT (Massachusettského technologického institutu) jako „praktický návod na výrobu vodíku z hliníkového odpadu“.

Krátká videa dokumentující výsledky studie jsou dostupná v Supporting Information

Literatura: University of California, Santa Cruz NewsCenter, ACS Applied Nano Materials