挖掘海洋深处 创造一个充满燃料电池的世界

NATURE

专家们认为，使用可再生电力将水分解成氢气和氧气是生产氢燃料的最清洁途径。但我们生活在一个清洁水非常珍贵的世界，世界上三分之一的人无法轻易获得。中国的研究人员现在已经制造了一种可以直接分离海水来制造氢燃料的装置。

据《自然》杂志报道，该装置的开发人员表示，它可以提供一种可持续、实用的制氢途径。中国南京理工大学化学工程教授Zongping Shao表示：“我们的战略实现了高效、规模灵活、可扩展的直接海水电解，其方式类似于淡水分离，但不会显著增加运营成本。”

目前，90%以上的氢气是由化石燃料生产的，这导致了大量的二氧化碳排放。海洋可能是廉价、无排放氢气的无尽来源。但是用今天的电解设备来分离盐水是困难的。

电解槽有两个涂有催化剂的电极，使电流通过水。当气体从两侧的水中冒出时，膜将氢气和氧气分开。但Shao表示，海水中的杂质会引起副反应和腐蚀。具体来说，今天的催化剂在阳极处将海水中的氯离子转化为氯气。氯是一种反应性极强的腐蚀性气体，它会降解催化剂和电极，缩短设备的寿命。

海水中的其他离子，如镁和钙，也会与催化剂发生反应，并形成可以堵塞膜的副产物。此外，所有这些副反应都会降低电解槽的效率。

去除海水中的盐和杂质是解决这一问题的一种方法，但脱盐和净化需要大量能源，而且成本高昂。过去，研究人员也曾尝试在催化剂上涂上涂层，以防止这些副反应。Shao表示，这种方法取得了一定的成功，但并不实际。其他人已经制造了小型、实验室规模的太阳能电解装置，这些装置不需要膜，但它们通常需要泵。

Shao，深圳大学的Heping Xie，以及他们的同事选择了保留膜。他们重新设计了电解系统，使离子和杂质远离电极，从而不会产生副反应或腐蚀。在他们的装置中，两个电极被一层薄膜隔开，这层薄膜将氧气和氢气隔开，并浸入浓氢氧化钾电解质溶液中。多孔膜在每一侧将电解质与海水分离。富氟膜阻挡液态水，但让水蒸气通过。

现在，当电通过电极时，它将电解质溶液中的水分离。溶液的浓度进一步增加，在电解质和膜外的海水之间产生压力差。这会导致海水自发蒸发，水蒸气通过膜扩散到电解质中，在电解质中又变成液态水，补充之前电解过的水。

以这种方式，电极处的水电解保持了到电极的清洁水的恒定流动，同时将海水中的离子和其他杂质排除在膜外。“因此，不需要额外的能量来确保水进入系统，”Shao说，“这意味着我们的电解槽的能耗与工业碱性电解槽相似。膜的成本非常低，而且具有较好的防污性能。”

为了展示设计的实用性，团队制作了一个包含11个电解槽的演示装置。他们用深圳湾的真实海水进行了测试。该系统按预期工作130多天，无故障，每小时产生386升氢气。

研究人员现在正在努力提高该系统的效率。他们表示，他们可以通过尝试氢氧化钾以外的电解质以及电极和催化剂的不同材料来提高性能。

Shao说，他们的设备可以用来生产氢气，同时从水中回收锂等有用资源。此外，它还可以扩展到制氢以外的应用领域，例如清洁工业废水。