无膜水电解使绿氢更经济高效

 

为了摆脱对化石燃料的依赖，人类需要更经济高效的方式来生产绿色氢气——这种清洁燃烧的燃料，通过使用可再生电力从水中分解而出。1月19日，《自然—材料》报告了一种方法，可以使水分解装置不必再使用昂贵的离子膜，而是在完全独立的腔室中生产氢气和氧气。同日，《科学》杂志也对该成果做分析报道。

作为一种基于实验室的概念验证，该成果披露的新装置，距离在工业规模上有效运行还有很长的路要走。但如果成功，它可以帮助炼钢和化肥生产等重工业减少对石油、煤炭和天然气的依赖。

“这是个创新的概念。”未参与这项新研究的美国俄勒冈大学化学家Shannon Boettcher认为，新设计似乎可以在可变电量的情况下高效工作，这一优势可以使其更容易与风电场和太阳能发电场提供的间歇性电力配对。

这种被称为电解槽的水分解装置，在230多年前首次被证实有效。在最常见的碱性电解槽中，其工作原理类似电池：阴、阳两个电极被放入一个含有水和液体电解质的腔室中，自阴极释放出的电流会将水分解为氢分子和带负电荷的氢氧根离子，氢氧根离子通过扩散到带正电的阳极，在那里发生反应形成氧气和少量的水。

该装置依赖于两个电极之间的离子交换膜。它允许氢氧根离子从阴极传播到阳极，同时防止氢气和氧气混合而发生爆炸性事件。

论文通讯作者、以色列理工学院材料科学家阿夫纳·罗斯柴尔德介绍，绿氢的主要成本，一部分来自驱动其生产过程的可再生电力，另一部分源自电解槽，而离子膜是电解槽最昂贵的部件之一。

罗斯柴尔德等人认为，可以通过在空间或时间上“解耦”电解，并分离析氧和析氢的过程，来摆脱对离子膜的依赖。

2019年，该团队创建了初代装置，在制氢步骤中，他们像电池一样给镍基电极充电，当他们将电极移到第二个腔室时，它在放电时产生氧气。

尽管初代装置已经体现出生产效果，但也存在明显缺陷。首先，在腔室之间移动电极，意味着反应器不能连续运行，这可能会使生产规模扩大而提升成本。此外，在析氧步骤中使用的电解质必须保持热度，以帮助反应加速，这需要使用昂贵的绝缘材料来防止热损失。

为了解决这些问题，研究人员重新设计了解耦电解槽，改变了液体电解质溴化钠的分子。在这种情况下，在阳极发生析氢反应时，电解质中的溴离子转化为溴酸盐。含有溴酸盐的电解质被泵入容纳有催化剂的第二个腔室，在室温下分解回归为溴化物和氧气。该装置得以高速连续生产氢气。

尽管新装置效率不如经典碱性电解槽高，但罗斯柴尔德认为，“我们可以在没有离子膜的情况下保持氢气和氧气的分离”，这将大规模降低氢气生产成本。

罗斯柴尔德透露，其团队已经在研发下一代设备。他认为，在消除电解槽膜方面取得的任何成功，都可能有助于最依赖化石燃料的部分工业脱碳。“这一优势有多大，怎么强调都不为过。”

相关论文信息：http://doi.org/10.1126/science.zbyyklj

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01767-y