近日，來自北京化工大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)的專家合作，在美國《國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表題為《太陽能驅(qū)動(dòng)的、持續(xù)穩(wěn)定的海水分解制氫》的論文，展示了一種通過微納結(jié)構(gòu)化電極電解海水制氫的新方法，并且在工業(yè)電解電流密度下具有長達(dá)上千小時(shí)的穩(wěn)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，也提示未來從海水中同時(shí)制備氫氣、氧氣的可能性。”該論文第一作者、北京化工大學(xué)化工能源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心副教授鄺允告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
海水之困
氫是地球上已知能量密度最高的物質(zhì)。燃燒氫不排放二氧化碳，能夠緩解全球變暖，是未來清潔能源解決方案之一。
電解水制氫是一種規(guī)模化制氫的潛在方案：一個(gè)電源連接到放置在水中的兩個(gè)電極上。當(dāng)電源接通時(shí)，氫氣從陰極（負(fù)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(dòng)力。但目前，電解氫需將海水制備成高純度的水，生產(chǎn)成本高昂。
“全球需要如此多的氫，所以不可能使用純凈水。”斯坦福大學(xué)化學(xué)系教授、美國國家科學(xué)院院士、該論文作者之一戴宏杰表示，“加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(fā)生作用而將金屬溶出，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生，限制系統(tǒng)的壽命。根據(jù)斯坦福大學(xué)化學(xué)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(shí)左右，“然后整個(gè)電極都碎裂了”。
“這主要是因?yàn)楹Ｋ械穆然c會(huì)導(dǎo)致陽極嚴(yán)重的析氯副反應(yīng)和電極腐蝕，科研界一直希望通過調(diào)控電解系統(tǒng)和電極結(jié)構(gòu)避免氯氣在陽極生成的新方法。”鄺允說。
保護(hù)電極
研究人員發(fā)現(xiàn)，將海水的pH值調(diào)至堿性時(shí)，可以抑制氯離子的氧化，使得氧氣更易在陽極產(chǎn)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(wěn)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(shí)提高電極的選擇性和穩(wěn)定性。”
針對(duì)氯離子帶來的腐蝕性問題，研究人員讓硫化鎳生長在泡沫鎳導(dǎo)體上，并使鎳鐵氫氧化物催化劑生長在硫化鎳的頂部，形成多層結(jié)構(gòu)。鄺允表示，泡沫鎳起到導(dǎo)體的作用——傳輸電能，引發(fā)電解。在電解過程中，中間層硫化鎳會(huì)演變成一個(gè)負(fù)電荷層，保護(hù)陽極。正像兩塊磁鐵的負(fù)極互相推動(dòng)一樣，帶負(fù)電荷的層排斥氯離子，并阻止其到達(dá)電極內(nèi)部的金屬導(dǎo)體部分。
Kenney說：“有了這一保護(hù)層，它可以運(yùn)行超過1000個(gè)小時(shí)。”
此外，先前試圖將海水分解成氫燃料的研究，由于腐蝕極易發(fā)生在較高電流下，所以實(shí)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(shí)現(xiàn)以更快的速度從海水中獲得氫氣。
“我認(rèn)為我們創(chuàng)下了海水分流的紀(jì)錄。”戴宏杰說，“既然已經(jīng)找到了電解海水的新方法，或許能為提高太陽能或風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的氫燃料可用性打開大門。”
為了驗(yàn)證該方法實(shí)際應(yīng)用的可能性，研究人員還設(shè)計(jì)太陽能驅(qū)動(dòng)電解系統(tǒng)的演示裝置，在從舊金山灣收集的海水中電解出氫氣和氧氣。
美國化學(xué)會(huì)《納米》雜志副主編、加州大學(xué)伯克利分校教授、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室電子材料項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Ali Javey表示，太陽能驅(qū)動(dòng)的海水分解一直是科研界的攻關(guān)目標(biāo)，但多年來進(jìn)展甚微，該研究首次論證了其可實(shí)施性。
像魚一樣呼吸
進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該方法能夠基于現(xiàn)有電解槽系統(tǒng)，使用工業(yè)電流展開工作，并且電解速度快。
德累斯頓理工大學(xué)分子功能材料系主任馮新亮評(píng)價(jià)說，該研究為穩(wěn)定的海水電解開發(fā)提供了經(jīng)濟(jì)低廉的電催化劑方案，對(duì)氫燃料的生產(chǎn)具有重要意義。
“目前，尚存在諸多工程細(xì)節(jié)待研究，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一段時(shí)間。”鄺允介紹，一方面，利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源電解海水面臨能量輸入波動(dòng)的問題，而且不同于實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的長時(shí)間持續(xù)電解，實(shí)際電解系統(tǒng)會(huì)面臨經(jīng)常性的開關(guān)，這些工程實(shí)際情況都對(duì)電極的穩(wěn)定性提出了新要求，亟待科研人員攻關(guān)；另一方面，實(shí)驗(yàn)室目前進(jìn)行了方法、概念的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、工業(yè)化需要進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，需要搭建一套真正實(shí)用而非實(shí)驗(yàn)室模擬的海水電解系統(tǒng)。
值得一提的是，未來這一新方法有望用于發(fā)電以外的新用途。鄺允表示，由于該過程會(huì)產(chǎn)生可用于呼吸的氧氣，潛水員或潛水艇可以把設(shè)備帶到海洋中，在不需要浮出水面的情況下，實(shí)現(xiàn)海底供氧。
