Các chức năng của Niken là gì?

Các chức năng cốt lõi của Niken

Niken phục vụ ba chức năng cơ bản trên các lĩnh vực khác nhau: sản xuất công nghiệp (72% sản lượng toàn cầu) , lưu trữ năng lượng trong pin và vai trò sinh học thiết yếu trong quá trình trao đổi chất của con người . Trong công nghiệp, chức năng chính của niken là tạo ra thép không gỉ chống ăn mòn, chiếm khoảng 70% tổng lượng tiêu thụ niken trên toàn thế giới. Trong lĩnh vực năng lượng, niken hoạt động như một vật liệu cực âm quan trọng trong pin lithium-ion, với pin niken-coban-mangan (NCM) chứa tới 80% niken. Về mặt sinh học, niken có chức năng như một đồng yếu tố cho các enzyme cụ thể, mặc dù chỉ cần một lượng nhỏ 100-300 microgam mỗi ngày .

Chức năng công nghiệp: Xương sống của sản xuất hiện đại

Sản xuất thép không gỉ

Chức năng chủ yếu của niken là tạo hợp kim với sắt và crom để sản xuất thép không gỉ. Hàm lượng niken thường dao động từ 8% đến 12% bằng thép không gỉ austenit, cung cấp:

• Khả năng chống ăn mòn đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt
• Độ ổn định nhiệt độ cao lên tới 1.000°C
• Khả năng định hình và khả năng hàn vượt trội
• Độ bền đông lạnh cho các ứng dụng cực lạnh

Hợp kim hiệu suất cao

Ngoài thép không gỉ, niken còn đóng vai trò là nguyên tố cơ bản trong siêu hợp kim được sử dụng trong động cơ phản lực và tua-bin phát điện. Các hợp kim này chứa 50-70% niken và có thể chịu được nhiệt độ vượt quá 1.200°C trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Mạ và xử lý bề mặt

Mạ niken không điện tạo ra các lớp phủ đồng nhất khác nhau, từ dày 5 đến 25 micromet , cung cấp khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn cho các linh kiện ô tô, thiết bị điện tử và thiết bị xử lý hóa chất.

Chức năng lưu trữ năng lượng: Cung cấp năng lượng cho cuộc cách mạng điện

Vật liệu Cathode của pin

Chức năng của niken trong pin lithium-ion ngày càng trở nên quan trọng khi nhu cầu về mật độ năng lượng tăng lên. Sự chuyển đổi từ NCM 111 (các phần bằng nhau niken, coban, mangan) sang NCM 811 (80% niken, 10% coban, 10% mangan) chứng tỏ tầm quan trọng ngày càng tăng của niken.

Pin Hyđrua kim loại Niken

Trước sự thống trị của lithium-ion, các loại xe hybrid chạy bằng pin niken-kim loại hydrua (NiMH) như Toyota Prius. Những pin này sử dụng 30-40% niken theo trọng lượng trong các điện cực dương của chúng và vẫn phù hợp cho các ứng dụng lưu trữ cố định.

Chức năng sinh học: Nguyên tố vi lượng thiết yếu

Vai trò của đồng yếu tố enzyme

Niken có chức năng như một đồng yếu tố thiết yếu cho các enzyme kim loại cụ thể ở thực vật, vi khuẩn và một số động vật:

• Urê: Xúc tác quá trình thủy phân urê, quan trọng cho quá trình chuyển hóa nitơ ở thực vật
• Hydroaza: Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa hydro ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ
• Carbon monoxide dehydrogenase: Cho phép chuyển hóa carbon monoxide ở vi khuẩn
• Methyl-coenzym M reductase: Cần thiết cho việc sản xuất khí mê-tan ở vi khuẩn cổ

Yêu cầu dinh dưỡng của con người

Trong khi chức năng sinh hóa chính xác của niken ở người vẫn đang được nghiên cứu, các khuyến nghị về chế độ ăn uống cho thấy 100-300 microgam mỗi ngày . Niken có thể ảnh hưởng đến sự hấp thụ sắt và hoạt động như một đồng yếu tố đối với một số enzyme, mặc dù các triệu chứng thiếu hụt rất hiếm do có nhiều trong thực phẩm.

Chức năng xúc tác hóa học

Phản ứng hydro hóa

Niken Raney, một hợp kim nhôm-niken xốp, có chức năng như một chất xúc tác hiệu quả cao cho quá trình hydro hóa dầu thực vật để sản xuất bơ thực vật và rút ngắn. Chất xúc tác này hoạt động ở 120-180°C và áp suất hydro của 1-5 bầu khí quyển , chuyển axit béo không bão hòa thành dạng bão hòa.

Lọc dầu

Chất xúc tác niken có chức năng trong quá trình khử lưu huỳnh bằng hydro, loại bỏ các hợp chất lưu huỳnh khỏi dầu thô. Những chất xúc tác này thường chứa 3-5% niken hỗ trợ về alumina, xử lý hàng triệu thùng mỗi ngày để đáp ứng các quy định về môi trường hạn chế hàm lượng lưu huỳnh ở mức dưới 10 phần triệu trong nhiên liệu vận tải.

Câu hỏi thường gặp: Câu hỏi thường gặp về chức năng của niken

Tại sao niken không thể thay thế được trong thép không gỉ?

Cấu trúc tinh thể lập phương tập trung vào mặt độc đáo của Niken mang lại sự ổn định austenit giúp ngăn chặn sự biến đổi martensitic trong quá trình hàn hoặc gia công nguội. Không có yếu tố nào khác cung cấp sự kết hợp tương tự giữa khả năng chống ăn mòn, độ dẻo và độ bền với chi phí tương đương. Việc thay thế mangan hoặc nitơ có thể thay thế một phần niken nhưng dẫn đến Hiệu suất giảm 15-20% trong các ứng dụng quan trọng.

Niken cải thiện hiệu suất pin như thế nào?

Niken hoạt động bằng cách cung cấp dung lượng riêng cao hơn (200-220 mAh/g) so với coban (140-150 mAh/g) hoặc mangan. Việc tăng hàm lượng niken từ NCM 111 lên NCM 811 sẽ tăng mật độ năng lượng lên 60-75% , trực tiếp mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện từ 300 km lên hơn 500 km mỗi lần sạc.

Niken có chức năng cần thiết cho sức khỏe con người không?

Bằng chứng hiện tại cho thấy niken hoạt động như một nguyên tố siêu vi lượng có lợi hơn là thực sự cần thiết. Các nghiên cứu trên động vật cho thấy thiếu hụt niken có thể làm giảm khả năng tăng trưởng và chức năng sinh sản, nhưng các triệu chứng thiếu hụt rõ ràng ở người vẫn chưa được ghi nhận. Giới hạn an toàn trên được thiết lập tại 1 miligam mỗi ngày để ngăn ngừa độc tính.

Điều gì quyết định chức năng xúc tác của niken?

Chức năng xúc tác của niken bắt nguồn từ cấu hình electron d và khả năng hấp thụ hydro trên bề mặt của nó. các diện tích bề mặt riêng 50-100 m2/g trong niken Raney cung cấp nhiều vị trí hoạt động cho các phản ứng hydro hóa, trong khi năng lượng liên kết vừa phải của nó đối với hydro cho phép chuyển hóa xúc tác hiệu quả.

Chức năng trong tương lai: Ứng dụng mới nổi

Pin thể rắn

Pin thể rắn thế hệ tiếp theo có thể sẽ nâng cao hơn nữa chức năng của niken. Các công ty như Toyota và QuantumScape dự án cực âm giàu niken chứa 90% niken kết hợp với chất điện phân rắn, có khả năng đạt được mật độ năng lượng vượt quá 400 Wh/kg.

Sản xuất hydro xanh

Niken hoạt động như một vật liệu điện cực quan trọng trong máy điện phân kiềm để tách nước. Điện cực thép mạ niken hoạt động cho hơn 60.000 giờ trong các máy điện phân công nghiệp, với nghiên cứu tập trung vào chất xúc tác sắt-niken để thay thế các kim loại nhóm bạch kim đắt tiền trong hệ thống màng trao đổi proton.

Công nghệ thu giữ cacbon

Khung kim loại hữu cơ gốc niken (MOF) và chất xúc tác niken nguyên tử đơn cho thấy có triển vọng giảm CO2 điện hóa. Những vật liệu này chứng tỏ Hiệu suất Faradaic vượt quá 90% để chuyển đổi CO2 thành carbon monoxide hoặc formate, có khả năng cho phép sản xuất nhiên liệu trung hòa carbon.