氫氣是一種清潔、高效、可再生的能源,被認(rèn)為是能夠助力人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。但是,要想大規(guī)模地利用氫氣,就需要解決一個(gè)難題:如何從海水中制造出足夠多的氫氣。讓我們一起看看中國(guó)科學(xué)家是如何攻克這一難題的吧!
氫氣也分灰、綠、藍(lán)?
氫能源推廣應(yīng)用的前提是大規(guī)模生產(chǎn)氫氣。工業(yè)上的制氫方式是以煤炭、石油、天然氣為原料,這不但耗費(fèi)日益枯竭的化石能源,而且會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體二氧化碳,環(huán)境友好程度低,因此被稱為“灰氫”。
為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo),在傳統(tǒng)“灰氫”生產(chǎn)中使用先進(jìn)的碳捕獲技術(shù),可以降低碳排放量,如此得到的氫氣被稱為“藍(lán)氫”。
而更吸引人的是“綠氫”,也就是利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等清潔能源來(lái)生產(chǎn)氫氣。
海洋:巨大的“氫礦”
如圖1所示,水在通電的情況下可以發(fā)生分解,即在陰極上產(chǎn)生氫氣,在陽(yáng)極上產(chǎn)生氧氣。基于這個(gè)電解水原理,把太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等間歇式的清潔能源轉(zhuǎn)化為電能,應(yīng)用到“綠氫”生產(chǎn)上,成為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的良方。而水是生產(chǎn)氫氣的極佳原料,因此,電解水制氫成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。
但知易行難,電解水制氫技術(shù)的應(yīng)用還需要攻克很多科學(xué)技術(shù)難題。例如,如何在更省電的情況下生產(chǎn)更多的氫氣,即提高從電能到氫能的轉(zhuǎn)換效率。為此,材料化學(xué)專家正努力通過(guò)開(kāi)發(fā)新型高效的電催化劑來(lái)攻克這個(gè)難關(guān)。
另外,目前電解水制氫使用的都是純凈的液態(tài)水,如何在節(jié)水條件下高效制氫呢?研究人員將目光轉(zhuǎn)向了海洋——地球水資源的寶庫(kù)。海洋占全球面積的70.8%,海水占地球水資源總量的96.5%。海洋就是一個(gè)巨大的“氫礦”!
像沖鋒衣一樣的神奇薄膜
電解海水生產(chǎn)氫氣顯然是個(gè)妙招,但困難也隨之而來(lái)。我們知道,海水是苦咸的,這是因?yàn)楹K锍怂?,還含有大量其他化學(xué)物質(zhì),主要成分是氯離子、鈉離子、硫酸根離子、鎂離子、鈣離子、鉀離子、碳酸氫根離子、溴離子、鍶離子、硼酸分子和氟離子。
氯離子和鎂離子是干擾電解海水制氫的主要雜質(zhì)。這是因?yàn)?,在電解過(guò)程中會(huì)發(fā)生氯離子轉(zhuǎn)化為氯氣的副反應(yīng),并與氧氣的生成產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng);鎂離子會(huì)生成不易溶解的氫氧化鎂,并沉積在電極表面,從而使電催化劑失去作用,影響電極的壽命。如果將海水淡化后再用來(lái)電解水制氫,必將帶來(lái)額外的能源消耗,可謂得不償失。
慶幸的是,中國(guó)科學(xué)家巧妙地把海水蒸發(fā)淡化與電解水結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了海水的穩(wěn)定、高效電解制氫。如圖2所示,研究人員使用聚四氟乙烯(一種高分子聚合物,可作“不粘鍋”涂層)薄膜把海水和電解裝置隔離開(kāi),這層膜就像沖鋒衣一樣防水但是透氣,海水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣可以透過(guò)它向電解裝置內(nèi)部擴(kuò)散,而雜質(zhì)仍然留在海水中不能通過(guò)。水蒸氣遇到聚乙烯醇(一種親水性高分子聚合物)和氫氧化鉀的復(fù)合水凝膠電解質(zhì)后,又會(huì)凝結(jié)成純凈的液態(tài)水。
隨著氫氣和氧氣的釋放和導(dǎo)出,純凈的液態(tài)水逐漸減少,在壓強(qiáng)差的作用下,海水中的水蒸氣繼續(xù)向電解裝置內(nèi)部輸送,源源不斷地補(bǔ)充電解所需的原料,使電解水過(guò)程持續(xù)發(fā)生。這樣的裝置在深圳灣的海水中可以穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)3200小時(shí),性能可與使用純水的工業(yè)堿性電解設(shè)備媲美。
中國(guó)科學(xué)家的這項(xiàng)研究成果為大規(guī)模海水電解制氫帶來(lái)了希望。未來(lái),可以利用海洋上豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等,實(shí)現(xiàn)高效、清潔的“綠氫”生產(chǎn),到海洋中開(kāi)采“氫礦”將不再是夢(mèng)想!
(作者單位:上海海洋大學(xué))
責(zé)任編輯:胡惠雯