無膜水電解使綠氫更經(jīng)濟高效
為了擺脫對化石燃料的依賴，人類需要更經(jīng)濟高效的方式來生產(chǎn)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(chǎn)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(yè)規(guī)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(chǎn)等重工業(yè)減少對石油、煤炭和天然氣的依賴。
“這是個創(chuàng)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(yōu)勢可以使其更容易與風電場和太陽能發(fā)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(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，當他們將電極移到第二個腔室時，它在放電時產(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，在腔室之間移動電極，意味著反應器不能連續(xù)運行，這可能會使生產(chǎn)規(guī)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(fā)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(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(guī)模降低氫氣生產(chǎn)成本。
羅斯柴爾德透露，其團隊已經(jīng)在研發(fā)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(yè)脫碳。“這一優(yōu)勢有多大，怎么強調(diào)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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