西班牙一座綠色氫能工廠消耗了大量淡水。圖片來源：ANGEL GARCIA

利用可再生能源分解水分子制成綠色氫氣，可為重型車輛提供動力，并使煉鋼等行業(yè)脫碳，而不會排放二氧化碳。但由于電解槽是為純水設(shè)計的，擴大綠色氫氣的生產(chǎn)規(guī)模可能會加劇全球淡水短缺。現(xiàn)在，3個研究小組報告了直接從海水中生產(chǎn)氫氣的進展。未來，海水可能成為取之不盡的綠色氫氣來源。

當前，幾乎所有氫氣都是通過分解甲烷、燃燒化石燃料制造而成，這兩種方法都會釋放二氧化碳。“綠氫”可以取代這種“臟氫”，但價格卻翻了兩番——每公斤約5美元。價格高昂的主要原因是電解槽成本很高，因為后者依賴于貴金屬制成的催化劑。

美國能源部最近啟動了一項為期10年的計劃改進電解槽，并將綠色氫氣的成本降至每公斤1美元。如果成功，綠色氫氣產(chǎn)量將飆升，但世界淡水供應可能會面臨壓力。使用電解法生產(chǎn)1公斤氫氣需要約10公斤水。根據(jù)國際可再生能源署的數(shù)據(jù)，將綠色氫氣用于關(guān)鍵行業(yè)，每年可能需要大約250億立方米淡水，相當于一個擁有6200萬人口國家的年用水量。

而海水是取之不盡的，但分離海水仍面臨挑戰(zhàn)。電解槽的構(gòu)造很像電池，一對電極被電解質(zhì)包圍。陰極上的催化劑將水分子分解成氫離子和羥基離子。陰極上多余的電子將成對的氫離子合成氫氣。然而，當使用海水時，陽極產(chǎn)生的氧氣會將鹽水中的氯離子轉(zhuǎn)化為具有高度腐蝕性的氯氣，從而侵蝕電極和催化劑。這通常會導致電解槽在數(shù)小時內(nèi)發(fā)生故障。

現(xiàn)在，3個研究小組報告了為阻止這種腐蝕作出的努力。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學材料科學家Nasir Mahmood領(lǐng)導的團隊近日在Small報道稱，在電極涂上硫酸鹽和磷酸鹽等帶負電的化合物，可以排斥帶負電的氯離子，從而防止氯氣形成。

澳大利亞阿德萊德大學納米技術(shù)專家喬世璋和同事則對電解槽進行了改造，即使用只能滲透氫離子的膜。這種設(shè)置在陽極而不是陰極分離水分子，搶走電子以釋放氫離子。離子通過膜遷移到陰極，在那里與電子結(jié)合生成氫氣。他們近日在《自然-能源》報道稱，該裝置可在高水流下分解海水100小時而不被腐蝕。

中國南京工業(yè)大學教授邵宗平和同事采取第三種抵御氯化物的策略。他們用膜包圍電極，當電解槽將淡水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣時會產(chǎn)生壓力，吸引更多水分子通過膜，以補充淡水供應。他們?nèi)涨霸凇蹲匀弧穲蟾嬲f，該裝置運行了3200個小時而沒有退化跡象。

過濾鹽的膜類似于商業(yè)海水淡化廠用的膜。這些膜可以足夠高效地生產(chǎn)淡水，同時每公斤綠色氫氣的成本僅增加0.01美元。

不過Mahmood表示，對于那些負擔不起大規(guī)模資本項目的國家來說，海水淡化并不是一個很好的選擇。耐腐蝕電極也可用于開發(fā)其他不純凈的水源，如廢水和苦咸水等。

(李木子)

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1002/smll.202207310

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

https://doi.org/10.1039/D1EE00870F

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