原創(chuàng) 未來光錐加速器 我是科學(xué)家iScientist

利用可再生能源從水得到的氫，被稱為“綠氫”，理論上是一種終極清潔能源?；剂先紵龝?huì)造成大量得二氧化碳排放，導(dǎo)致溫室效應(yīng)和全球變暖；而氫氣燃燒不會(huì)釋放二氧化碳或任何溫室氣體，綠氫則更進(jìn)一步，在生產(chǎn)氫氣的過程中僅使用水和可再生的清潔能源。

綠氫通常是通過電解水制得的，即，利用電能將水分解成氫氣和氧氣，其中電來源于可再生能源，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芑蛘叱毕艿取４送?，氫氣作為可再生能源的“?chǔ)存”媒介，也可以借助燃料電池等方式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化回電能，以保障清潔能源穩(wěn)定供給。對(duì)于低碳經(jīng)濟(jì)而言，綠氫必不可少。

要淡水還是要?dú)錃猓?/p>

電解水制氫嚴(yán)重依賴潔凈水資源。據(jù)聯(lián)合國水資源組織報(bào)道，全球有23億人生活在水資源緊張的國家和地區(qū)，有7.33億人生活在高度或嚴(yán)重缺水地區(qū)。電廠、農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)存在大量的水資源需求，也與飲用水資源形成一定競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

雖然水處理裝置可部分緩解上述問題，但可再生能源和淡水供應(yīng)之間的地理位置極不匹配，額外的凈化流程也增加了電解水制氫的難度和成本。

具體來講，生產(chǎn)綠氫的理想地點(diǎn)是太陽能和風(fēng)能豐富的地區(qū)，但往往也是水資源極度短缺的地區(qū)。以地表或者地下水為原料制氫，將會(huì)進(jìn)一步加劇水資源的短缺，潛在風(fēng)險(xiǎn)很大。

將空氣變成氫氣

來自澳大利亞墨爾本大學(xué)、中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院和英國曼徹斯特大學(xué)的研究人員提供了一種可以克服上述問題的方法，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種生產(chǎn)氫氣但不消耗淡水的設(shè)備。這項(xiàng)被稱為“直接空氣電解槽”（DAE）的技術(shù)最近發(fā)表在《自然·通訊》上，其工作原理是直接從空氣中吸收水，再通過可再生電能電解水，生產(chǎn)氫氣。這是目前已知的第一項(xiàng)可以直接從空氣中生產(chǎn)高純氫氣的報(bào)道。

網(wǎng)頁截圖

墨爾本大學(xué)Kevin Gang Li博士表示，這個(gè)想法是考慮如何在供水困難地區(qū)生產(chǎn)氫氣時(shí)產(chǎn)生的?！坝腥苏J(rèn)為，一個(gè)沒有淡水的地區(qū)并不適合生產(chǎn)氫氣，但其實(shí)空氣中有大量的水。即使是位于澳大利亞中部沙漠中的愛麗絲泉 (Alice Springs)，相對(duì)濕度大約也有20%，這對(duì)于我們利用可再生能源生產(chǎn)氫氣來說綽綽有余?！?/p>

DAE與其他電解槽一樣由金屬板電極組成，但其核心在于金屬板之間的多孔介質(zhì)，其中充滿了吸水性的離子溶液，可以自發(fā)吸收空氣中的水分。

“這類物質(zhì)很簡(jiǎn)單，它喜歡從空氣中捕獲水分子。這項(xiàng)發(fā)明的核心就是捕獲空氣中的水分子，并將它們變成用于電解的水原料?！崩畈┦颗c博士生郭繼寧等研究人員表示，“如果把這個(gè)裝置放在空氣中，它就可以產(chǎn)生氫氣，這就是為什么我們叫它'直接空氣電解槽’?！?/p>

空氣制氫路線圖 | 墨大知識(shí)產(chǎn)權(quán)辦公室

消除綠氫生產(chǎn)的障礙

從空氣中直接生產(chǎn)氫氣的技術(shù)，使制氫與淡水資源脫鉤，開辟綠氫生產(chǎn)的新通道，也將帶來一系列的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

通過結(jié)合太陽能及其他可再生能源，DAE技術(shù)可以讓某些高碳排放行業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳化，也能為沒有穩(wěn)定電力供應(yīng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供清潔氫能，此外還可以與現(xiàn)有系統(tǒng)整合，以促進(jìn)綠氫生產(chǎn)和輸送。例如，DAE制備的綠氫可以混入現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)中輸送，解決太陽能農(nóng)場(chǎng)電力過剩的同時(shí)，也解決其他地區(qū)局部電力緊張的問題。

偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民可以在白天使用可再生電能，而DAE可以將多余的電能轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存起來，缺電時(shí)再重新轉(zhuǎn)化成為電能，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的電力供應(yīng)，降低甚至消除對(duì)化石燃料的依賴。李博士說：“如果未來要發(fā)展氫氣經(jīng)濟(jì)，為偏遠(yuǎn)社區(qū)或干旱半干旱地區(qū)提供就地生產(chǎn)氫氣的技術(shù)具有重大意義。很多地方實(shí)際上都沒有足夠的淡水供應(yīng)，保障這些地區(qū)有足夠的綠氫供應(yīng)也至關(guān)重要。'

DAE技術(shù)原理圖 | 參考文獻(xiàn)[2]

一個(gè)由可持續(xù)能源驅(qū)動(dòng)的

氫氣生產(chǎn)的新方向

這項(xiàng)DAE技術(shù)，目的并不是取代傳統(tǒng)制氫工藝，而是成為一個(gè)完美的補(bǔ)充，當(dāng)?shù)Y源豐富且價(jià)格便宜時(shí)，傳統(tǒng)制氫工藝仍具有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過兩年半的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室論證之后，團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)為，該裝置在技術(shù)和工藝上都易于轉(zhuǎn)化并與可再生能源結(jié)合，可以在相對(duì)濕度低至4%的情況下連續(xù)產(chǎn)生高純度的氫氣，且維護(hù)成本很低。基于該DAE技術(shù)，可以在地球上任何地方生產(chǎn)綠氫，潛在的應(yīng)用價(jià)值巨大。

現(xiàn)階段，該技術(shù)已經(jīng)完成專利布局和實(shí)驗(yàn)室論證，下一步是放大制氫規(guī)模、在不同地理和氣候條件下進(jìn)行測(cè)試，以了解其適應(yīng)能力和工作性能?！拔覀冋跀U(kuò)大DAE的規(guī)?！獜奈鍖佣询B到1平方米、10平方米，以此類推。盡管可以在實(shí)驗(yàn)室里模擬干燥的氣候，但那畢竟不是真正的沙漠。因此我們想把它帶到愛麗斯泉，花幾個(gè)星期的時(shí)間，看看情況如何?！痹诖酥?，其商業(yè)化前最后階段的重點(diǎn)將是能源的整合、存儲(chǔ)和供應(yīng)。

DAE樣機(jī)實(shí)物圖 | 團(tuán)隊(duì)供圖

參考文獻(xiàn)

[1] UN-Water, 2021: Summary Progress Update 2021 – SDG 6 – water and sanitation for all. Version: July 2021. Geneva, Switzerland.

[2] Guo, J., Zhang, Y., Zavabeti, A. et al. Hydrogen production from the air. Nat Commun 13, 5046 (2022). https:///10.1038/s41467-022-32652-y