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海水制氫:重啟藍色能源的傳說

       電解水,將水分解成氫和氧,是一個簡單而歷史悠久的想法。現有電解水的技術大都基于純水,而超過95%的地球水資源——海水少有關注。

       近日,北京化工大學、美國斯坦福大學等合作在美國《國家科學院院刊》上發表題為“太陽能驅動的、持續穩定的海水分解制氫”的研究論文,展示了一種通過微納結構化電極電解海水制氫的新方法,并且在工業電解電流密度下具有長達上千小時的穩定性。

       “這種新型電催化劑不僅解決了海水電解制氫的工程化問題,也提示了未來從海水中同時制備氫氣、氧氣、鹽的可能性。”該論文第一作者、北京化工大學化工能源有效利用國家重點實驗室、北京軟物質科學與工程高精尖創新中心副教授鄺允告訴《中國科學報》。

海水之困

       氫是地球上已知的能量密度最高的物質,燃燒不排放二氧化碳,能夠緩解全球變暖問題,是未來清潔能源的解決方案之一。

       電解水制氫是一種規模化制氫的潛在方案:一個電源連接到放置在水中的兩個電極上。當電源接通時,氫氣從陰極(負極)中冒出,可呼吸的氧氣從陽極(正極)冒出。從理論上講,這一方法為城市和汽車提供了動力。但目前,電解氫需將海水制備成高純度的水,生產成本很高。

       “全球需要如此多的氫,所以不可能使用純凈水,”斯坦福大學化學系教授、美國國家科學院院士、該論文作者之一戴宏杰表示,“加利福尼亞州幾乎沒有足夠的水來滿足目前的需求。”

       用豐富的海水資源制備氫無疑能解決這一難題。但電解過程中,海水中的氯離子易與金屬集流體發生作用而將金屬溶出,導致腐蝕的發生,限制系統的壽命。根據斯坦福大學化學系研究生、論文作者之一Michael J. Kenney的說法,普通陽極只能在海水中工作12小時左右。“然后整個電極都碎裂了。”

       “這主要是因為海水中的氯化鈉會導致陽極嚴重的析氯副反應和電極腐蝕,科研界一直希望探索通過調控電解系統和電極結構來避免氯氣在陽極生成的新方法。”鄺允說。

為電極加上保護層

       研究人員發現,將海水的pH值調至堿性時,可以抑制氯離子的氧化,使得氧氣更易在陽極產生。鄺允介紹,在堿性條件下,鎳鐵氫氧化物是目前性能較高且最穩定的析出氧氣的催化劑。“選擇鎳鐵氫氧化物作為電催化劑,或許可以同時提高電極的選擇性和穩定性。”

       針對氯離子帶來的腐蝕性問題,研究人員將硫化鎳生長在泡沫鎳導體上,并將鎳鐵氫氧化物催化劑生長在硫化鎳的頂部,形成多層結構。鄺允表示,泡沫鎳起到導體的作用——傳輸電能,引發電解。在電解過程中,中間層硫化鎳會演變成一個負電荷層,保護陽極。正像兩塊磁鐵的負極互相推動一樣,帶負電荷的層排斥氯離子并阻止其到達電極內部的金屬導體部分。

       Michael J. Kenney說:“有了這一層保護層,它可以運行超過1000個小時。”

       此外,先前試圖將海水分解成氫燃料的研究中,由于腐蝕極易發生在較高的電流下,所以實際電解過程的電流很小,但這往往影響電解效率。此次,研究人員通過多層電極將電解電流增大到以往的10倍以上,實現以更快的速度從海水中獲得氫氣。“我認為我們創下了海水分流的記錄。”戴宏杰說,“既然已經找到了電解海水的新方法,這或許能為提高太陽能或風能驅動的氫燃料的可用性打開大門。”

       為了驗證該方法實際應用的可能性,研究人員還設計了一個太陽能驅動電解系統的演示裝置,從舊金山灣收集的海水中電解出氫氣和氧氣。

       美國化學會《納米》雜志副主編、加州大學伯克利分校教授、勞倫斯伯克利國家實驗室電子材料項目負責人Ali Javey表示,太陽能驅動的海水分解一直是科研界的攻關目標,但多年來進展甚微,該研究首次論證了其可實施性。

像魚一樣在海中呼吸

       該方法的實際應用難度和成本如何?研究人員進一步驗證發現,該方法能夠基于現有電解槽系統,使用工業電流展開工作,并且電解速度快。

       德累斯頓理工大學分子功能材料系主任馮新亮評價,該研究為穩定的海水電解開發提供了經濟低廉的電催化劑方案,對氫燃料的生產具有重要意義。

      “目前,該研究尚存在諸多待研究的工程細節,距離實際應用尚有一段時間。”鄺允介紹,一方面,利用太陽能、風能等可再生能源電解海水面臨能量輸入波動的問題,而且不同于實驗室運行的長         時間持續電解,實際電解系統會面臨經常性的開關,這些工程實際情況都對電極的穩定性提出了新的要求,亟待科研人員攻關;另一方面,實驗室目前進行了方法、概念的驗證,實現規模化、工業化需要進行放大實驗,需要搭建一套真正實用的而非實驗室模擬的海水電解系統。

       值得一提的是,未來這一新方法有望用于發電以外的新用途。鄺允表示,由于這個過程會產生可呼吸的氧氣,潛水員或潛水艇可以把設備帶到海洋中,在不需要浮出水面換氣的情況下,使用在海底產生氧氣,實現換氣。

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