為了擺脫對(duì)化石燃料的依賴，人類需要更經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)生產(chǎn)綠色氫氣——這種清潔燃燒的燃料，通過(guò)使用可再生電力從水中分解而出。1月19日，《自然—材料》報(bào)告了一種方法，可以使水分解裝置不必再使用昂貴的離子膜，而是在完全獨(dú)立的腔室中生產(chǎn)氫氣和氧氣。同日，《科學(xué)》雜志也對(duì)該成果做分析報(bào)道。
作為一種基于實(shí)驗(yàn)室的概念驗(yàn)證，該成果披露的新裝置，距離在工業(yè)規(guī)模上有效運(yùn)行還有很長(zhǎng)的路要走。但如果成功，它可以幫助煉鋼和化肥生產(chǎn)等重工業(yè)減少對(duì)石油、煤炭和天然氣的依賴。
“這是個(gè)創(chuàng)新的概念。”未參與這項(xiàng)新研究的美國(guó)俄勒岡大學(xué)化學(xué)家Shannon Boettcher認(rèn)為，新設(shè)計(jì)似乎可以在可變電量的情況下高效工作，這一優(yōu)勢(shì)可以使其更容易與風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)提供的間歇性電力配對(duì)。
這種被稱為電解槽的水分解裝置，在230多年前首次被證實(shí)有效。在最常見(jiàn)的堿性電解槽中，其工作原理類似電池：陰、陽(yáng)兩個(gè)電極被放入一個(gè)含有水和液體電解質(zhì)的腔室中，自陰極釋放出的電流會(huì)將水分解為氫分子和帶負(fù)電荷的氫氧根離子，氫氧根離子通過(guò)擴(kuò)散到帶正電的陽(yáng)極，在那里發(fā)生反應(yīng)形成氧氣和少量的水。
該裝置依賴于兩個(gè)電極之間的離子交換膜。它允許氫氧根離子從陰極傳播到陽(yáng)極，同時(shí)防止氫氣和氧氣混合而發(fā)生爆炸性事件。
論文通訊作者、以色列理工學(xué)院材料科學(xué)家阿夫納·羅斯柴爾德介紹，綠氫的主要成本，一部分來(lái)自驅(qū)動(dòng)其生產(chǎn)過(guò)程的可再生電力，另一部分源自電解槽，而離子膜是電解槽最昂貴的部件之一。
羅斯柴爾德等人認(rèn)為，可以通過(guò)在空間或時(shí)間上“解耦”電解，并分離析氧和析氫的過(guò)程，來(lái)擺脫對(duì)離子膜的依賴。
2019年，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了初代裝置，在制氫步驟中，他們像電池一樣給鎳基電極充電，當(dāng)他們將電極移到第二個(gè)腔室時(shí)，它在放電時(shí)產(chǎn)生氧氣。
盡管初代裝置已經(jīng)體現(xiàn)出生產(chǎn)效果，但也存在明顯缺陷。首先，在腔室之間移動(dòng)電極，意味著反應(yīng)器不能連續(xù)運(yùn)行，這可能會(huì)使生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大而提升成本。此外，在析氧步驟中使用的電解質(zhì)必須保持熱度，以幫助反應(yīng)加速，這需要使用昂貴的絕緣材料來(lái)防止熱損失。
為了解決這些問(wèn)題，研究人員重新設(shè)計(jì)了解耦電解槽，改變了液體電解質(zhì)溴化鈉的分子。在這種情況下，在陽(yáng)極發(fā)生析氫反應(yīng)時(shí)，電解質(zhì)中的溴離子轉(zhuǎn)化為溴酸鹽。含有溴酸鹽的電解質(zhì)被泵入容納有催化劑的第二個(gè)腔室，在室溫下分解回歸為溴化物和氧氣。該裝置得以高速連續(xù)生產(chǎn)氫氣。
盡管新裝置效率不如經(jīng)典堿性電解槽高，但羅斯柴爾德認(rèn)為，“我們可以在沒(méi)有離子膜的情況下保持氫氣和氧氣的分離”，這將大規(guī)模降低氫氣生產(chǎn)成本。
羅斯柴爾德透露，其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研發(fā)下一代設(shè)備。他認(rèn)為，在消除電解槽膜方面取得的任何成功，都可能有助于最依賴化石燃料的部分工業(yè)脫碳。“這一優(yōu)勢(shì)有多大，怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。”
相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1126/science.zbyyklj
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01767-y
本文鏈接：無(wú)膜水電解使綠氫更經(jīng)濟(jì)高效http://m.lensthegame.com/show-11-2693-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營(yíng)利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任，僅提供存儲(chǔ)服務(wù)。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。