Каковы функции никеля?

Основные функции Никель

Никель выполняет три фундаментальные функции в различных областях: промышленное производство (72% мирового производства) , накопление энергии в аккумуляторах и важнейшая биологическая роль в метаболизме человека . В промышленности основной функцией никеля является создание устойчивой к коррозии нержавеющей стали, на долю которой приходится около 70% всего потребления никеля во всем мире. В энергетическом секторе никель выступает в качестве важнейшего катодного материала в литий-ионных батареях, при этом никель-кобальт-марганцевые батареи (NCM) содержат до 80% никеля. Биологически никель действует как кофактор для определенных ферментов, хотя он необходим лишь в следовых количествах. 100-300 микрограмм в день .

Промышленные функции: основа современного производства

Производство нержавеющей стали

Основная функция никеля — его легирование железом и хромом для производства нержавеющей стали. Содержание никеля обычно колеблется от от 8% до 12% в аустенитных нержавеющих сталях, обеспечивая:

• Исключительная коррозионная стойкость в суровых условиях
• Высокотемпературная стабильность до 1000°C.
• Превосходная формуемость и свариваемость
• Криогенная прочность для экстремально низких температур

Высокопроизводительные сплавы

Помимо нержавеющей стали, никель используется в качестве основного элемента в суперсплавах, используемых в реактивных двигателях и турбинах для производства электроэнергии. Эти сплавы содержат 50-70% никеля и может выдерживать температуры, превышающие 1200°C, сохраняя при этом структурную целостность.

Покрытие и обработка поверхности

Химическое никелирование позволяет получить равномерные покрытия от Толщина от 5 до 25 микрометров , обеспечивая износостойкость и защиту от коррозии автомобильных компонентов, электроники и оборудования химической обработки.

Функции накопления энергии: движущая сила электрической революции

Материалы катода батареи

Функция никеля в литий-ионных батареях становится все более важной по мере роста требований к плотности энергии. Переход от НЦМ 111 (равные части никеля, кобальта, марганца) к НЦМ 811 (80% никель, 10% кобальт, 10% марганец) демонстрирует растущее значение никеля.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

До доминирования литий-ионных аккумуляторов гибридные автомобили, такие как Toyota Prius, питались никель-металлогидридными (NiMH) батареями. Эти батареи используют 30-40% никеля по весу в своих положительных электродах и остаются актуальными для стационарных хранилищ.

Биологические функции: незаменимый микроэлемент

Роли ферментативного кофактора

Никель действует как важный кофактор для определенных металлоферментов у растений, бактерий и некоторых животных:

• Уреаза: Катализирует гидролиз мочевины, что имеет решающее значение для азотистого обмена в растениях.
• Гидрогеназа: Облегчает окисление водорода у бактерий и архей.
• Дегидрогеназа монооксида углерода: Обеспечивает метаболизм угарного газа у микробов.
• Метил-кофермент М-редуктаза: Необходим для производства метана архей

Потребности человека в питании

Хотя точная биохимическая функция никеля в организме человека все еще находится на стадии изучения, рекомендации по диетическому потреблению предполагают, что 100-300 микрограмм в день . Никель может влиять на усвоение железа и выступать в качестве кофактора для некоторых ферментов, хотя симптомы дефицита редки из-за его широкого присутствия в пищевых продуктах.

Функции химического катализа

Реакции гидрирования

Никель Ренея, пористый никель-алюминиевый сплав, действует как высокоэффективный катализатор гидрирования растительных масел для производства маргарина и шортенинга. Этот катализатор работает при 120-180°С и давление водорода 1-5 атмосфер , превращая ненасыщенные жирные кислоты в насыщенные формы.

Нефтепереработка

Никелевые катализаторы участвуют в процессах гидрообессеривания, удаляя соединения серы из сырой нефти. Эти катализаторы обычно содержат 3-5% никеля поддерживается за счет глинозема, ежедневно перерабатывая миллионы баррелей в соответствии с экологическими нормами, ограничивающими содержание серы до менее 10 частей на миллион в транспортном топливе.

Часто задаваемые вопросы: общие вопросы о функциях никеля

Почему никель незаменим в нержавеющей стали?

Уникальная гранецентрированная кубическая кристаллическая структура никеля обеспечивает аустенитную стабильность, предотвращающую мартенситное превращение во время сварки или холодной обработки. Ни один другой элемент не предлагает такого же сочетания коррозионной стойкости, пластичности и прочности при сопоставимой цене. Замена марганца или азота может частично заменить никель, но приводит к Снижение производительности на 15-20% в критически важных приложениях.

Как никель улучшает производительность аккумулятора?

Никель обеспечивает более высокую удельную емкость (200–220 мАч/г) по сравнению с кобальтом (140–150 мАч/г) или марганцем. Увеличение содержания никеля от NCM 111 до NCM 811 повышает плотность энергии на 60-75% , что напрямую увеличивает запас хода электромобиля с 300 км до более 500 км на одной зарядке.

Является ли никель функционально важным для здоровья человека?

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что никель действует как полезный ультра-микроэлемент, а не как строго незаменимый. Исследования на животных показывают, что дефицит никеля может ухудшить рост и репродуктивную функцию, но явные симптомы дефицита у людей не зарегистрированы. Верхний безопасный предел устанавливается на уровне 1 миллиграмм в день для предотвращения токсичности.

Что определяет каталитическую функцию никеля?

Каталитическая функция никеля обусловлена ​​его d-электронной конфигурацией и способностью адсорбировать водород на своей поверхности. удельная поверхность 50-100 м²/г в никеле Ренея никель обеспечивает большое количество активных центров для реакций гидрирования, а его умеренная энергия связи с водородом обеспечивает эффективный каталитический круговорот.

Будущие функции: новые приложения

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи следующего поколения, вероятно, еще больше улучшат функциональность никеля. Такие компании, как Toyota и QuantumScape, разрабатывают богатые никелем катоды, содержащие 90% никель в сочетании с твердыми электролитами, потенциально достигая плотности энергии, превышающей 400 Втч/кг.

Производство зеленого водорода

Никель выступает в качестве важнейшего электродного материала в щелочных электролизерах для расщепления воды. Стальные электроды с никелированным покрытием работают более 60 000 часов в промышленных электролизерах, при этом исследования сосредоточены на никель-железных катализаторах для замены дорогих металлов платиновой группы в протонообменных мембранных системах.

Технологии улавливания углерода

Металлоорганические каркасы (MOF) на основе никеля и одноатомные никелевые катализаторы перспективны для электрохимического снижения CO2. Эти материалы демонстрируют Фарадеевская эффективность превышает 90% для преобразования CO2 в окись углерода или формиат, что потенциально позволит производить углеродно-нейтральное топливо.