一种可持续的清洁能源可能存在于旧易拉罐和海水中。

麻省理工学院的工程师们发现，当易拉罐中的铝以纯净的形式暴露在海水中并与之混合时，溶液会起泡并自然产生氢气——这种气体随后可用于为发动机或燃料电池提供动力，而不会产生碳排放。更重要的是，这个简单的反应可以通过添加一种常见的兴奋剂来加速:咖啡因。

发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一项研究中，研究人员展示了他们可以通过将预处理过的鹅卵石大小的铝球放入过滤过的海水烧杯中来产生氢气。铝是用一种稀有金属合金进行预处理的，这种合金可以有效地将铝擦洗成一种纯净的形式，这种形式可以与海水反应产生氢。海水中的盐离子反过来可以吸引并回收合金，合金可以在一个可持续的循环中重新使用以产生更多的氢。

研究小组发现，铝和海水之间的这种反应成功地产生了氢气，尽管速度很慢。为了好玩，他们在混合物中加入了一些咖啡渣，令他们惊讶的是，反应加快了。

最后，研究小组发现，低浓度的咪唑——咖啡因中的一种活性成分——足以显著加速反应，在5分钟内产生相同数量的氢气，而不添加兴奋剂则需要2小时。

研究人员正在开发一种可以在海洋船只或水下航行器上运行的小型反应堆。该容器将装有铝丸(从旧汽水罐和其他铝制品中回收)，以及少量的镓铟和咖啡因。这些原料可以与周围的海水一起定期注入反应堆，按需生产氢气。然后，氢气可以为船上的发动机提供燃料，驱动马达或发电，为船只提供动力。

这项研究的主要作者、麻省理工学院机械工程系的博士生Aly Kombargi说:“这对于船只或水下交通工具等海上应用来说非常有趣，因为你不必随身携带海水——它很容易获得。”“我们也不需要携带一罐氢气。相反，我们将把铝作为‘燃料’运输，只需要加水就能产生我们需要的氢。”

该研究的合著者包括化学工程专业的本科生Enoch Ellis;21届博士彼得·戈达特(Peter Godart)创立了一家回收铝作为氢燃料来源的公司;以及麻省理工学院机械工程教授道格拉斯·哈特。

屏蔽起来

哈特领导的麻省理工团队正在开发高效和可持续的方法来生产氢气，这被视为一种“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。

用氢气给汽车加油的一个缺点是，有些设计要求将氢气像传统的汽油一样装在油箱里——考虑到氢气的挥发性，这是一个危险的设置。哈特和他的团队转而寻找用氢为汽车提供动力的方法，而不必经常运输氢气本身。

他们在铝中找到了一种可能的解决方案——铝是一种天然丰富且稳定的材料，当与水接触时，会发生直接的化学反应，产生氢和热。

然而，这种反应有一个两难的问题:虽然铝与水混合时可以产生氢，但它只能在纯的、暴露的状态下产生氢。当铝与氧气接触时，比如在空气中，铝的表面会立即形成一层薄薄的、像盾牌一样的氧化层，防止进一步的反应。这个屏障就是为什么当你把汽水罐扔进水里时，氢不会立即起泡的原因。

在之前的工作中，研究小组发现，他们可以用少量由特定浓度的镓和铟制成的稀有金属合金对铝进行预处理，从而刺穿铝的保护层，并保持与水的反应进行。这种合金作为一种“活化剂”，可以清除任何氧化物的积聚，形成一个纯铝表面，可以自由地与水反应。当他们在新鲜的去离子水中进行反应时，他们发现一个预处理的铝颗粒在短短五分钟内产生了400毫升的氢气。他们估计，1克颗粒可以在相同的时间内产生1.3升氢气。

但要进一步扩大该系统的规模，将需要大量的镓铟供应，而镓铟相对昂贵且稀有。

Kombargi说:“为了使这个想法具有成本效益和可持续性，我们必须在处理后回收这种合金。

在海边

在该团队的新工作中，他们发现他们可以使用离子溶液回收和再利用镓铟。离子——带电荷的原子或分子——保护金属合金不与水反应，并帮助它沉淀成一种可以舀出并重复使用的形式。

“对我们来说幸运的是，海水是一种离子溶液，非常便宜和容易获得，”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，我们拿起瓶子装满了瓶子，然后我只是过滤掉藻类和沙子，加入铝，结果还是一样的。”

他发现，当他将铝加入滤过的海水烧杯时，氢气确实会冒泡。之后他把镓铟挖了出来。但反应发生的速度比在淡水中慢得多。结果表明，海水中的离子起到了屏蔽镓铟的作用，使得镓铟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，它们会形成一道屏障，减缓铝与水的反应。

为了寻找加速海水反应的方法，研究人员尝试了各种非常规的成分。

Kombargi说:“我们只是在厨房里摆弄一些东西，发现当我们将咖啡渣加入海水中并放入铝粒时，与海水相比，反应要快得多。”

为了弄清这种加速的原因，研究小组联系了麻省理工学院化学系的同事，他们建议他们尝试咪唑——咖啡因中的一种活性成分，它的分子结构恰好可以穿透铝(使材料继续与水反应)，同时保持镓铟的离子屏蔽完好无损。

“这是我们的巨大胜利，”Kombargi说。“我们拥有了我们想要的一切:回收镓铟，再加上快速有效的反应。”

研究人员认为，他们已经具备了运行可持续氢反应堆的基本要素。他们计划首先在海洋和水下交通工具上进行测试。他们计算出，这样一个容纳大约40磅铝球的反应堆，可以通过泵入周围的海水并产生氢气为发动机提供动力，为一个小型水下滑翔机提供大约30天的动力。

“我们正在展示一种生产氢燃料的新方法，不携带氢，而是携带铝作为‘燃料’，”Kombargi说。“下一步是弄清楚如何将其用于卡车，火车，也许还有飞机。也许，我们可以从周围的湿度中提取水来生产氢气，而不必再携带水。这是将来的事。”