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从海水中制造氢燃料

文章来源:中国科学报 刘建文   发布时间:2019-04-15  【字号:     】  

  日前,斯坦福大学的研究人员设计出一种通过利用来自旧金山湾的太阳能、电极和盐水来生产氢燃料的新技术。该研究成果已于近日刊发在《美国国家科学院院刊》上。它实现了通过电力从海水中分离氢气和氧气,而现有的水分解方法依赖于昂贵的高纯度水,无形中增加了生产成本。

  “使用高纯度水来制备大量的氢能源是不切实际的,”斯坦福大学化学系教授Hongjie Dai说,“我们在加州几乎没有足够的水来满足目前的需求。”

  而氢是一种很有吸引力的燃料,因为它不排放二氧化碳。燃烧氢只产生水,或许能让日益恶化的气候变化问题得到缓解。

  理论上,电解是用电将水分解成氢和氧,这是一个简单而古老的方法,连接电源并将两个电极放在水中。当电源打开时,氢气从阴极中析出,可呼吸的氧气从阳极中冒出。但海水盐中的氯离子会腐蚀正极,缩减系统的寿命。DAI的研究团队想要找到一种方法来阻止这些海水成分破坏位于水中的阳极。研究人员发现,如果他们在阳极上包含负电荷的涂层,电极表面层就会排斥氯离子,从而减缓底层金属的腐蚀。

  他们将氢氧化镍层置于硫化镍之上,硫化镍覆盖着泡沫镍芯。泡沫镍起导体的作用,从电源输送电力,氢氧化镍会产生火花,将水分解成氧和氢。在电解过程中,硫化镍演变成一层负电荷保护阳极。就像两块磁铁的负极互相推挤一样,带负电荷的层会排斥氯离子,阻止氯离子到达铁芯。

  该论文的共同第一作者Michael Kenney说,如果没有带负电荷的涂层,阳极在海水中只能工作大约12小时。“但有了这一层,它可以运行一千多个小时。

  之前的研究试图将海水分解成氢燃料,但由于腐蚀一般发生在较高的电流下,所以工作电流应很小。但DAI的团队能够通过他们的多层设备传导高达10倍的电流,从而可以大幅提高从海水中生产氢气的速度。

  研究小组成员在受控的实验室条件下进行了大部分测试,他们可以控制进入系统的电量。另外,他们还设计了一台太阳能模型设备,利用该设备从旧金山湾收集的海水中产生氢气和氧气。而且没有盐腐蚀的风险,该设备与目前使用高纯度水制备氢气的技术相媲美。Kenney说:“这项研究令人印象深刻的一点是,我们能够在与当今工业界使用的电流相同的条件下工作。”

  DAI表示,这种新方法将为提高太阳能或风能驱动的氢燃料的可用性打开大门。在未来,这项技术可以用于发电以外的用途。由于这一过程也产生可呼吸的氧气,潜水员或潜水艇可以把设备带入海洋,在不需要浮出水面呼吸空气的情况下,在水下产生氧气。

  谈到技术转让,DAI说:“人们可以在现有的电解槽系统中使用这些原理,这可能非常快,不需要花费太多的时间就能做成。”“这不是从零开始——更像是从80%或90%开始。”




(责任编辑:侯茜)

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