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”，也就是利用太陽能、風(fēng)能、潮汐能等清潔能源來生產(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，在陽極上產(chǎn)生氧氣。基于這個(gè)電解水原理，把太陽能、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)專家正努力通過開發(fā)新型高效的電催化劑來攻克這個(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。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。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)椋陔娊膺^程中會發(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)生競爭；鎂離子會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電解水制氫，必將帶來額外的能源消耗，可謂得不償失。

慶幸的是，中國科學(xué)家巧妙地把海水蒸發(fā)淡化與電解水結(jié)合起來，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，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。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了希望。未來，可以利用海洋上豐富的太陽能、風(fēng)能、潮汐能等，實(shí)現(xiàn)高效、清潔的“綠氫”生產(chǎn)，到海洋中開采“氫礦”將不再是夢想！

（作者單位：上海海洋大學(xué)）

責(zé)任編輯：胡惠雯