一個(gè)用可再生能源運(yùn)行的世界很簡(jiǎn)單，基本上就是：收集太陽能和風(fēng)能，并利用這些能量為稱為電解器的設(shè)備供電，電解器將水分解為氧氣和氫氣，氫氣可以用作燃料。問題在于現(xiàn)今的電解器價(jià)格昂貴，要么需要昂貴的催化劑，要么需要昂貴的稀有金屬?，F(xiàn)在，研究人員報(bào)告說，他們結(jié)合了兩種電解器的優(yōu)點(diǎn)，可以制作廉價(jià)的電解器。

電化學(xué)公司Giner Inc.的化學(xué)工程師許輝說：“我認(rèn)為這是一個(gè)重大突破?！?他和他的同事在去年的能源部會(huì)議上提出了類似方案，但尚未公布。如果新電解器技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中被證明是廉價(jià)且穩(wěn)定的，則該技術(shù)會(huì)增強(qiáng)全球?qū)稍偕茉吹睦谩＜~瓦克特拉華大學(xué)的化學(xué)工程師嚴(yán)玉山(Yushan Yan)說：“要完成這一步，我們就差臨門一腳。” 一些小公司，包括他創(chuàng)立的小公司，已經(jīng)組建起來準(zhǔn)備進(jìn)行該技術(shù)的商業(yè)化。

科學(xué)家們知道如何將水分解為氫氣和氧氣已有200多年的歷史：將兩個(gè)金屬電極放在一罐水中，在它們之間施加電壓，氫氣和氧氣會(huì)分別在兩個(gè)電極上產(chǎn)生。由于混合氣體會(huì)爆炸，因此當(dāng)今最常見的設(shè)置是用多孔厚塑料板將陽極和陰極隔開。他們還使用金屬催化劑(最便宜的是鎳和鐵等催化劑)來加快反應(yīng)速度。

為了增加產(chǎn)氣速率，當(dāng)今最普遍的電解器會(huì)向水中添加高含量的氫氧化鉀(KOH)。在負(fù)極，水分子裂解為H+和OH-離子。H+離子與來自負(fù)極的電子結(jié)合形成氫氣。OH–離子通過膜擴(kuò)散到正極，在此處生成氧氣和水。

Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家Yu Seung Kim說，KOH具有很高的腐蝕性，因此工程師必須使用昂貴的惰性金屬(例如鈦)來制造設(shè)備。這一缺陷促使研究人員在1960年代開發(fā)了一種稱為質(zhì)子交換膜(PEM)電解器的技術(shù)，該技術(shù)中的分隔膜可以選擇性地允許H+離子通過。PEM電解器的催化劑不在電極上，而是被固定在膜的兩面。在這種情況下，正極側(cè)的催化劑將水分子分解為H+和OH-離子，后者立即在催化劑上反應(yīng)形成氧氣分子。然后H+穿過塑料膜遷移至負(fù)極側(cè)，在此處經(jīng)膜上的催化劑催化，H+離子轉(zhuǎn)化為氫氣。

因?yàn)镺H-離子不會(huì)通過PEM膜遷移，所以不需要強(qiáng)堿性條件。且該技術(shù)的產(chǎn)氣速率是堿性液版本的五倍。但是，該技術(shù)也有其缺點(diǎn)：它需要一些昂貴的耐腐蝕金屬以承受由質(zhì)子在膜兩側(cè)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的酸性環(huán)境，還需要由鉑和銥制成的催化劑。這些金屬昂貴且稀有。例如，銥的全球年產(chǎn)量?jī)H為7噸。許說：“根本沒有足夠的貴金屬用于大規(guī)模制氫。”

現(xiàn)在，Kim和Los Alamos的同事以及華盛頓州立大學(xué)的研究人員說，他們結(jié)合了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。在他們發(fā)明的新設(shè)備中，有局部高度堿性的環(huán)境，可促進(jìn)水分解。與PEM電解器的策略不同，新方法參考了KOH電解器，將催化水分解為H +和OH-的催化劑放在負(fù)極側(cè)，前者直接在負(fù)極側(cè)轉(zhuǎn)化為氫氣，OH-離子穿過膜，稱為陰離子交換膜(AEM)。該裝置能夠在局部創(chuàng)造一個(gè)高度堿性的環(huán)境，從而加快OH-離子向正極側(cè)的遷移，在正極側(cè)膜上，催化劑將OH-催化生成氧氣。

于是，局限在膜附近的堿性環(huán)境，使得電解器能夠使用廉價(jià)，豐富的鎳，鐵和鉬基催化劑，而且電解槽可以用不銹鋼制成。Kim和他的同事說，這種新設(shè)備產(chǎn)生氫氣速率比傳統(tǒng)堿性設(shè)備快約三倍，但比商用PEM電解器要慢得多?！皩⑴f的堿性技術(shù)與PEM技術(shù)相結(jié)合是未來點(diǎn)解技術(shù)發(fā)展的方向” 許說。

新裝置需要驗(yàn)證其耐用性。最初的實(shí)驗(yàn)表明，催化膜在反應(yīng)僅僅10小時(shí)后就開始破裂。Kim說，主要問題可能是聚合物膜容易吸水。隨著時(shí)間的推移，可能導(dǎo)致催化劑顆粒脫落。研究小組準(zhǔn)備將氟添加到催化膜中，以排斥水。Kim希望通過一系列優(yōu)化措施，將AEM電解器實(shí)際運(yùn)用到太陽能和風(fēng)能裝置中，成為無碳世界的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

本文譯自 Science | AAAS，由譯者 Mork 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。