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海水制氢！美国国家加速实验室设计出将海水转化为氢燃料的新系统
2023-04-12 10:04:41来源：全球前沿科学

海水混合了氢、氧、钠和其他元素，对地球上的生命至关重要。但同样复杂的化学反应使得提取氢气用于清洁能源变得困难。

美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员与俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的合作者找到了一种方法，找到了一种通过双膜系统和电力让海水从海洋中排出氢气的方法。他们的创新设计被证明可以成功地产生氢气，而且不会产生大量有害物质。他们发表在《焦耳》杂志上的研究结果可能有助于推动生产低碳燃料的发展。

研究人员Adam Nielander说：“如今，许多水制氢系统都试图使用单层或单层膜。我们的研究将两层结合在一起。这些膜结构使我们能够在实验中控制海水中离子的移动方式。”


(资料图片)

氢气是一种低碳燃料，目前以多种方式使用，例如用于驱动燃料电池电动汽车，以及作为一种长期储能选择——适合将能量储存数周、数月或更长时间——用于电网.

许多制造氢气的尝试都是从淡水或脱盐水开始的，但这些方法可能昂贵且耗能高。处理过的水更容易处理，因为它周围漂浮的化学元素或分子更少。然而，研究人员表示，净化水成本高昂，需要能源，并增加了设备的复杂性。他们说，另一种选择，天然淡水，除了是地球上更有限的资源外，还含有许多对现代技术有问题的杂质。

为了处理海水，该团队实施了双极或双层膜系统，并使用电解对其进行了测试，电解是一种使用电力驱动离子或带电元素以进行所需反应的方法。SLAC和斯坦福大学博士后研究员Joseph Perryman说，他们通过控制对海水系统最有害的元素——氯化物来开始他们的设计。

Perryman说：“海水中有许多活性物质会干扰水与氢的反应，而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一。特别是，进入阳极并氧化的氯化物会缩短电解系统的寿命，而且由于包括分子氯和漂白剂在内的氧化产物的毒性，实际上可能变得不安全。”

实验中的双极膜允许获得制造氢气所需的条件，并减少氯化物进入反应中心。

理想的膜系统将执行三个主要功能：从海水中分离氢气和氧气；有助于仅移动有用的氢和氢氧根离子，同时限制其他海水离子；并且有助于防止不良反应。将这三种需求结合在一起很难，该团队的研究目标是探索能够有效结合这三种需要的系统。

特别是在他们的实验中，质子，即正氢离子，穿过其中一个膜层到达一个可以收集它们的地方，并通过与带负电的电极相互作用转化为氢气。系统中的第二层膜只允许负离子（如氯离子）通过。

斯坦福大学化学工程研究生、合著者Daniela Marin说，作为一种额外的支撑，一个膜层含有固定在膜上的带负电荷的基团，这使得氯化物等其他带负电的离子更难移动到不该移动的地方。在该团队的实验中，带负电的膜被证明能高效地阻挡几乎所有的氯离子，而且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯等有毒副产物。

研究人员表示，除了设计海水制氢膜系统外，该研究还可以更好地了解海水离子如何穿过膜。这些知识还可以帮助科学家为其他应用设计更坚固的膜，例如生产氧气。

Marin说：“人们对利用电解生产氧气也有一些兴趣。了解双极膜系统中的离子流动和转化对这项工作也至关重要。除了在实验中产生氢气外，我们还展示了如何使用双极膜产生氧气。”

接下来，该团队计划通过使用更丰富、更容易开采的材料建造电极和膜来改进它们。该团队表示，这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动（如运输部门）生产氢气所需的规模。

研究人员还希望将他们的电解槽带到SLAC的斯坦福同步辐射光源 (SSRL)，在那里他们可以使用该设施的强 X 射线研究催化剂和膜的原子结构。

SLAC和斯坦福大学教授Thomas Jaramillo表示：“绿氢技术的未来是光明的。我们正在获得的基本见解是为未来的创新提供信息，以提高该技术的性能、耐用性和可扩展性。”

该项目得到美国海军研究办公室的支持；斯坦福杜尔可持续发展学院加速器；美国能源部基础能源科学、化学科学、地球科学和生物科学部办公室，通过SLAC-斯坦福联合研究所SUNCAT界面科学与催化中心；以及美国能源部的能源效率和可再生能源燃料电池技术办公室。

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