西班牙一座綠色氫能工廠消耗了大量淡水。圖片來源：ANGEL GARCIA

利用可再生能源分解水分子制成綠色氫氣，可為重型車輛提供動力，并使煉鋼等行業(yè)脫碳，而不會排放二氧化碳。但由于電解槽是為純水設(shè)計(jì)的，擴(kuò)大綠色氫氣的生產(chǎn)規(guī)?？赡軙觿∪虻倘薄，F(xiàn)在，3個(gè)研究小組報(bào)告了直接從海水中生產(chǎn)氫氣的進(jìn)展。未來，海水可能成為取之不盡的綠色氫氣來源。

當(dāng)前，幾乎所有氫氣都是通過分解甲烷、燃燒化石燃料制造而成，這兩種方法都會釋放二氧化碳。“綠氫”可以取代這種“臟氫”，但價(jià)格卻翻了兩番——每公斤約5美元。價(jià)格高昂的主要原因是電解槽成本很高，因?yàn)楹笳咭蕾囉谫F金屬制成的催化劑。

美國能源部最近啟動了一項(xiàng)為期10年的計(jì)劃改進(jìn)電解槽，并將綠色氫氣的成本降至每公斤1美元。如果成功，綠色氫氣產(chǎn)量將飆升，但世界淡水供應(yīng)可能會面臨壓力。使用電解法生產(chǎn)1公斤氫氣需要約10公斤水。根據(jù)國際可再生能源署的數(shù)據(jù)，將綠色氫氣用于關(guān)鍵行業(yè)，每年可能需要大約250億立方米淡水，相當(dāng)于一個(gè)擁有6200萬人口國家的年用水量。

而海水是取之不盡的，但分離海水仍面臨挑戰(zhàn)。電解槽的構(gòu)造很像電池，一對電極被電解質(zhì)包圍。陰極上的催化劑將水分子分解成氫離子和羥基離子。陰極上多余的電子將成對的氫離子合成氫氣。然而，當(dāng)使用海水時(shí)，陽極產(chǎn)生的氧氣會將鹽水中的氯離子轉(zhuǎn)化為具有高度腐蝕性的氯氣，從而侵蝕電極和催化劑。這通常會導(dǎo)致電解槽在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生故障。

現(xiàn)在，3個(gè)研究小組報(bào)告了為阻止這種腐蝕作出的努力。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)材料科學(xué)家Nasir Mahmood領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)近日在Small報(bào)道稱，在電極涂上硫酸鹽和磷酸鹽等帶負(fù)電的化合物，可以排斥帶負(fù)電的氯離子，從而防止氯氣形成。

澳大利亞阿德萊德大學(xué)納米技術(shù)專家喬世璋和同事則對電解槽進(jìn)行了改造，即使用只能滲透氫離子的膜。這種設(shè)置在陽極而不是陰極分離水分子，搶走電子以釋放氫離子。離子通過膜遷移到陰極，在那里與電子結(jié)合生成氫氣。他們近日在《自然-能源》報(bào)道稱，該裝置可在高水流下分解海水100小時(shí)而不被腐蝕。

中國南京工業(yè)大學(xué)教授邵宗平和同事采取第三種抵御氯化物的策略。他們用膜包圍電極，當(dāng)電解槽將淡水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣時(shí)會產(chǎn)生壓力，吸引更多水分子通過膜，以補(bǔ)充淡水供應(yīng)。他們?nèi)涨霸凇蹲匀弧穲?bào)告說，該裝置運(yùn)行了3200個(gè)小時(shí)而沒有退化跡象。

過濾鹽的膜類似于商業(yè)海水淡化廠用的膜。這些膜可以足夠高效地生產(chǎn)淡水，同時(shí)每公斤綠色氫氣的成本僅增加0.01美元。

不過Mahmood表示，對于那些負(fù)擔(dān)不起大規(guī)模資本項(xiàng)目的國家來說，海水淡化并不是一個(gè)很好的選擇。耐腐蝕電極也可用于開發(fā)其他不純凈的水源，如廢水和苦咸水等。

(李木子)

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1002/smll.202207310

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

https://doi.org/10.1039/D1EE00870F