海水制氫！美國國家加速實驗室設計出將海水轉(zhuǎn)化為氫燃料的新系統(tǒng)

海水混合了氫、氧、鈉和其他元素，對地球上的生命至關重要。但同樣復雜的化學反應使得提取氫氣用于清潔能源變得困難。

美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的研究人員與俄勒岡大學和曼徹斯特城市大學的合作者找到了一種方法，找到了一種通過雙膜系統(tǒng)和電力讓海水從海洋中排出氫氣的方法。他們的創(chuàng)新設計被證明可以成功地產(chǎn)生氫氣，而且不會產(chǎn)生大量有害物質(zhì)。他們發(fā)表在《焦耳》雜志上的研究結(jié)果可能有助于推動生產(chǎn)低碳燃料的發(fā)展。

研究人員Adam Nielander說：“如今，許多水制氫系統(tǒng)都試圖使用單層或單層膜。我們的研究將兩層結(jié)合在一起。這些膜結(jié)構(gòu)使我們能夠在實驗中控制海水中離子的移動方式。”

氫氣是一種低碳燃料，目前以多種方式使用，例如用于驅(qū)動燃料電池電動汽車，以及作為一種長期儲能選擇——適合將能量儲存數(shù)周、數(shù)月或更長時間——用于電網(wǎng).

許多制造氫氣的嘗試都是從淡水或脫鹽水開始的，但這些方法可能昂貴且耗能高。處理過的水更容易處理，因為它周圍漂浮的化學元素或分子更少。然而，研究人員表示，凈化水成本高昂，需要能源，并增加了設備的復雜性。他們說，另一種選擇，天然淡水，除了是地球上更有限的資源外，還含有許多對現(xiàn)代技術有問題的雜質(zhì)。

為了處理海水，該團隊實施了雙極或雙層膜系統(tǒng)，并使用電解對其進行了測試，電解是一種使用電力驅(qū)動離子或帶電元素以進行所需反應的方法。SLAC和斯坦福大學博士后研究員Joseph Perryman說，他們通過控制對海水系統(tǒng)最有害的元素——氯化物來開始他們的設計。

Perryman說：“海水中有許多活性物質(zhì)會干擾水與氫的反應，而使海水變咸的氯化鈉是罪魁禍首之一。特別是，進入陽極并氧化的氯化物會縮短電解系統(tǒng)的壽命，而且由于包括分子氯和漂白劑在內(nèi)的氧化產(chǎn)物的毒性，實際上可能變得不安全?！?/p>

實驗中的雙極膜允許獲得制造氫氣所需的條件，并減少氯化物進入反應中心。

理想的膜系統(tǒng)將執(zhí)行三個主要功能：從海水中分離氫氣和氧氣；有助于僅移動有用的氫和氫氧根離子，同時限制其他海水離子；并且有助于防止不良反應。將這三種需求結(jié)合在一起很難，該團隊的研究目標是探索能夠有效結(jié)合這三種需要的系統(tǒng)。

特別是在他們的實驗中，質(zhì)子，即正氫離子，穿過其中一個膜層到達一個可以收集它們的地方，并通過與帶負電的電極相互作用轉(zhuǎn)化為氫氣。系統(tǒng)中的第二層膜只允許負離子（如氯離子）通過。

斯坦福大學化學工程研究生、合著者Daniela Marin說，作為一種額外的支撐，一個膜層含有固定在膜上的帶負電荷的基團，這使得氯化物等其他帶負電的離子更難移動到不該移動的地方。在該團隊的實驗中，帶負電的膜被證明能高效地阻擋幾乎所有的氯離子，而且他們的系統(tǒng)在運行時不會產(chǎn)生漂白劑和氯等有毒副產(chǎn)物。

研究人員表示，除了設計海水制氫膜系統(tǒng)外，該研究還可以更好地了解海水離子如何穿過膜。這些知識還可以幫助科學家為其他應用設計更堅固的膜，例如生產(chǎn)氧氣。

Marin說：“人們對利用電解生產(chǎn)氧氣也有一些興趣。了解雙極膜系統(tǒng)中的離子流動和轉(zhuǎn)化對這項工作也至關重要。除了在實驗中產(chǎn)生氫氣外，我們還展示了如何使用雙極膜產(chǎn)生氧氣?！?/p>

接下來，該團隊計劃通過使用更豐富、更容易開采的材料建造電極和膜來改進它們。該團隊表示，這種設計改進可以使電解系統(tǒng)更容易擴展到為能源密集型活動（如運輸部門）生產(chǎn)氫氣所需的規(guī)模。

研究人員還希望將他們的電解槽帶到SLAC的斯坦福同步輻射光源 (SSRL)，在那里他們可以使用該設施的強 X 射線研究催化劑和膜的原子結(jié)構(gòu)。

SLAC和斯坦福大學教授Thomas Jaramillo表示：“綠氫技術的未來是光明的。我們正在獲得的基本見解是為未來的創(chuàng)新提供信息，以提高該技術的性能、耐用性和可擴展性?！?/p>

該項目得到美國海軍研究辦公室的支持；斯坦福杜爾可持續(xù)發(fā)展學院加速器；美國能源部基礎能源科學、化學科學、地球科學和生物科學部辦公室，通過SLAC-斯坦福聯(lián)合研究所SUNCAT界面科學與催化中心；以及美國能源部的能源效率和可再生能源燃料電池技術辦公室。