無膜水電解使綠氫更經濟高效
為了擺脫對化石燃料的依賴，人類需要更經濟高效的方式來生產綠色氫氣——這種清潔燃燒的燃料，通過使用可再生電力從水中分解而出。1月19日，《自然—材料》報告了一種方法，可以使水分解裝置不必再使用昂貴的離子膜，而是在完全獨立的腔室中生產氫氣和氧氣。同日，《科學》雜志也對該成果做分析報道。
作為一種基于實驗室的概念驗證，該成果披露的新裝置，距離在工業規模上有效運行還有很長的路要走。但如果成功，它可以幫助煉鋼和化肥生產等重工業減少對石油、煤炭和天然氣的依賴。
“這是個創新的概念。”未參與這項新研究的美國俄勒岡大學化學家Shannon Boettcher認為，新設計似乎可以在可變電量的情況下高效工作，這一優勢可以使其更容易與風電場和太陽能發電場提供的間歇性電力配對。
這種被稱為電解槽的水分解裝置，在230多年前首次被證實有效。在最常見的堿性電解槽中，其工作原理類似電池：陰、陽兩個電極被放入一個含有水和液體電解質的腔室中，自陰極釋放出的電流會將水分解為氫分子和帶負電荷的氫氧根離子，氫氧根離子通過擴散到帶正電的陽極，在那里發生反應形成氧氣和少量的水。
該裝置依賴于兩個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極，同時防止氫氣和氧氣混合而發生爆炸性事件。
論文通訊作者、以色列理工學院材料科學家阿夫納·羅斯柴爾德介紹，綠氫的主要成本，一部分來自驅動其生產過程的可再生電力，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。
羅斯柴爾德等人認為，可以通過在空間或時間上“解耦”電解，并分離析氧和析氫的過程，來擺脫對離子膜的依賴。
2019年，該團隊創建了初代裝置，在制氫步驟中，他們像電池一樣給鎳基電極充電，當他們將電極移到第二個腔室時，它在放電時產生氧氣。
盡管初代裝置已經體現出生產效果，但也存在明顯缺陷。首先，在腔室之間移動電極，意味著反應器不能連續運行，這可能會使生產規模擴大而提升成本。此外，在析氧步驟中使用的電解質必須保持熱度，以幫助反應加速，這需要使用昂貴的絕緣材料來防止熱損失。
為了解決這些問題，研究人員重新設計了解耦電解槽，改變了液體電解質溴化鈉的分子。在這種情況下，在陽極發生析氫反應時，電解質中的溴離子轉化為溴酸鹽。含有溴酸鹽的電解質被泵入容納有催化劑的第二個腔室，在室溫下分解回歸為溴化物和氧氣。該裝置得以高速連續生產氫氣。
盡管新裝置效率不如經典堿性電解槽高，但羅斯柴爾德認為，“我們可以在沒有離子膜的情況下保持氫氣和氧氣的分離”，這將大規模降低氫氣生產成本。
羅斯柴爾德透露，其團隊已經在研發下一代設備。他認為，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脫碳。“這一優勢有多大，怎么強調都不為過。”
相關論文信息：http://doi.org/10.1126/science.zbyyklj
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01767-y
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