Это открытие может привести к созданию систем производства металла, которые будут намного дешевле и практически исключают выбросы парниковых газов, связанные с выплавкой большинства традиционных металлов. Хотя сама сурьма не является широко используемым металлом, те же принципы могут быть применены для производства гораздо более распространенных и экономически важных металлов, таких как медь и никель, говорят исследователи.
Об этом удивительном открытии сообщается на этой неделе в журнале Nature Communications в статье Дональда Садоуея, профессора химии материалов Джона Ф. Эллиотта; постдок Хуайи Инь; и приглашенный ученый Брайс Чанг.«Мы пытались разработать другую электрохимию для батареи», — объясняет Садовей, как расширение множества химических составов для полностью жидких высокотемпературных аккумуляторных батарей, которые его лаборатория разрабатывала в течение нескольких лет. Различные части этих батарей состоят из расплавленных металлов или солей, которые имеют разную плотность и, таким образом, по своей природе образуют отдельные слои, подобно тому, как масло плавает на поверхности воды. «Мы хотели исследовать полезность помещения второго электролита между положительным и отрицательным электродами» жидкой батареи, — говорит Садовей.Неожиданные результаты
Но эксперимент прошел не совсем так, как планировалось. «Мы обнаружили, что когда мы пошли заряжать эту предполагаемую батарею, мы фактически производили жидкую сурьму вместо того, чтобы заряжать батарею», — говорит Садовей.Затем начался квест, чтобы выяснить, что только что произошло.
Материал, который они использовали, сульфид сурьмы, представляет собой расплавленный полупроводник, который обычно не допускает электролитического процесса, который используется для производства алюминия и некоторых других металлов посредством приложения электрического тока.«Сульфид сурьмы — очень хороший проводник электронов», — говорит Садовей. «Но если вы хотите провести электролиз, вам нужен только ионный проводник», то есть материал, который хорошо проводит молекулы, имеющие чистый электрический заряд. Но добавив еще один слой поверх расплавленного полупроводника, который является очень хорошим ионным проводником, оказалось, что процесс электролиза в этой «батарее» работает очень хорошо, отделяя металл от сульфидного соединения с образованием пула 99,9 процентов чистой сурьмы на дне их ячейки, в то время как чистый серный газ накапливался наверху, где его можно было собрать для использования в качестве химического сырья.
В типичных процессах плавки сера немедленно связывается с кислородом воздуха с образованием диоксида серы, значительного загрязнителя воздуха и основной причины кислотных дождей. Но вместо этого этот замкнутый процесс обеспечивает высокоочищенный металл без необходимости беспокоиться об очистке от загрязняющего газа.
Простой и эффективный процессПо словам Садоуи, электролиз намного более эффективен, чем традиционные методы плавки при нагревании, поскольку это одностадийный непрерывный процесс. Открытие этого процесса превратило алюминий более века назад из драгоценного металла, более ценного, чем серебро, в широко используемый недорогой товар. Если бы этот процесс можно было применить к другим обычным промышленным металлам, таким как медь, он мог бы значительно снизить цены, а также уменьшить загрязнение воздуха и выбросы парниковых газов, связанные с традиционным производством.
«То, что сделало это открытие таким захватывающим, — говорит Садовей, — заключается в том, что мы можем представить себе, как сделать то же самое с медью и никелем, металлами, которые используются в больших количествах». Было разумно начать с сурьмы, потому что она имеет гораздо более низкую температуру плавления — всего 631 градус Цельсия — по сравнению с 1085 ° С у меди.
Хотя более высокие температуры плавления других металлов усложняют проектирование всей производственной системы, лежащие в основе физические принципы одинаковы, и поэтому такие системы в конечном итоге должны быть осуществимы, — говорит он.«Сурьма была хорошим испытанием для этой идеи, но мы могли представить себе нечто подобное для гораздо более распространенных металлов», — говорит Садовей.
И хотя в этой демонстрации использовалась руда, которая представляет собой сульфид (металл в сочетании с серой), «мы не видим причин, по которым этот подход нельзя было бы распространить на оксидное сырье», которое представляет собой другую важную категорию металлических руд. Такой процесс приведет к получению чистого кислорода в качестве вторичного продукта вместо серы.
В конечном счете, если бы сталь можно было производить с помощью такого процесса, это могло бы оказать серьезное влияние, потому что «производство стали является источником номер один антропогенного углекислого газа», основного парникового газа, говорит Садоуей. Но разработать этот процесс будет сложнее из-за высокой температуры плавления железа около 1540 ° C.