新催化劑提供了從海水中生產氫氣的更經濟實惠的方法

近年來，氫氣作為一種潛在的清潔能源受到了全世界的關注，因為它燃燒時不會產生破壞氣候的排放物。 然而，傳統的氫氣生產方法具有大量的碳排放，而更清潔的方法價格昂貴且技術複雜。

現在，科學家們報告了一項重大突破——一種雙電極催化劑，它依靠一種化合物有效地從海水和淡水中產生氫氣和氧氣。 以前對這種多功能催化劑將水分解成氫氣和氧氣的嘗試通常導致性能不佳。 使用兩種單獨的催化劑具有增加催化劑生產成本的效果。

來自休斯敦大學、香港中文大學和中國師範大學的一組研究人員報告了一項計劃，使用鎳/鉬/氮化合物，用少量鐵精煉並在鎳泡沫上生長，以有效生產氫氣和然後，通過循環電壓產生的電化學再生，轉化為一種化合物，引發強大的析氧反應。

使用單一化合物進行氫 (HER) 和氧 (OER) 的析出反應——在再生過程中略有變化——不僅使水的分離變得更加經濟實惠，而且還簡化了所有工程挑戰。 大多數材料最適合 HER 或 OER，但兩種反應都需要完成化學反應並從水中產生氫氣。

休斯頓大學德州超導中心 (TcSUH) 主任任志峰表示，新催化劑不僅可以實現單一催化劑的高效運行，而且在海水中以及在水中都表現出良好的溫和性。 催化劑在海水中的良好性能可以解決一個問題：大多數現有的催化劑在淡水中效果更好。

海水分離更為複雜，部分原因是與鹽和其他礦物質相關的腐蝕。 任說，新催化劑還產生純氧，避免了某些催化劑產生的腐蝕性氯氣的潛在副產物。 UH 物理學副教授 Shuo Chen 報告說，催化劑在相對較低的電壓下報告的高電流密度降低了製氫的能源成本。

但這只是促進負擔能力的一種方式，Chen 補充說，他也是 TcSUH 的首席研究員。 通過將一種材料——一種鐵精煉的鎳/鉬/氮化合物——應用於 HER，然後使用觸發電化學再生的循環電壓，為 OER 創建一種略有不同的材料，一種鐵/鉬/鎳氧化物； 陳說，該團隊在簡化技術要求的同時消除了對第二催化劑的需求。 “如果您要在兩個電極上使用兩種不同的材料構建設備，您需要弄清楚電荷如何流過每個電極並相應地設計結構，”Chen 說。

利用非常規水源增加綠色氫

大規模高效生產綠色氫能對於幫助減少含碳燃料的使用非常重要。 然而，由於與運輸和分配氫氣相關的許多挑戰，這種轉變很困難。

耶魯大學（美國）的一組研究人員開發了一種新方法：在氫氣消耗附近的地方，利用電解從廢水和其他非常規來源中產生氫氣。 大約 95% 的氫氣來自化石燃料。 尋找一個好的水源來代替可以大大減少這種情況。

“我們擁有所有這些未充分利用的來源——處理過的廢水，”耶魯大學化學與環境工程副教授、我們可以處理的採礦廢水和工業廢水管理研究的主要作者 Lea Winter 說。 我們不想將它們用於飲用水，但我們可以將它們用於其他幾個目的，它可以節省家庭用水，這對於缺水地區尤其重要。 »

解決這個問題的一種方法是使用電解，這是一種利用電將水分解成氧氣和氫氣成分的技術。 大多數化學過程在更大規模上更有效地工作。 然而，由於電解過程中的反應只發生在電極表面，因此水垢並不是一個重要因素。 這為有效利用較小的分散水源（例如城市污水）開闢了可能性。

在水資源稀缺的情況下，更分散的基礎設施尤其有利，因為它避免了對飲用水資源的開發。 在許多較小的地點而不是單個中心生產氫氣意味著更少的運輸活動——這是氫氣分配的最大成本之一。

Winter 評論：“當您行駛約 40 公里時，整個過程中超過一半的二氧化碳排放來自車輛。 這突出了為什麼我們可能希望將其保持在較小的範圍內。 為此，我們希望使用非傳統和分散的水源。

研究小組認為，這些資源的開發有望提供豐富的能源。 例如，從中型城市污水處理廠提取氫氣可以比核電站產生更多的儲存氫能。 在更大的規模上——例如半導體廠或混凝土配料廠——產量甚至更高。

溫特更詳細地分析：“我們從這些水中提取氫氣所能獲得的能量將超過美國道路上每輛汽車每年在道路上消耗的能量，或者比中國三峽大壩的能量還要多。 如果我們去不同的水源並利用所有可用的水處理技術，那麼問題是在哪裡可以找到水來製造氫氣。”

從生物質中製造綠色氫——一種豐富的可再生能源

印度科學研究所 (IISc) 的一組研究人員開發了一種從生物質中生產氫氣的創新技術。 該團隊由可持續技術中心教授兼 IISc 跨學科能源研究中心主席 S. Dasappa 領導。

據 Dasappa 稱，印度在不同行業的各種工藝中使用了近 500 萬噸氫氣，預計未來幾年氫氣市場將出現顯著增長。 但是我們今天使用的大部分氫氣來自化石燃料，通過一個被稱為甲烷蒸汽途徑的過程。 現在，Dasappa 的團隊找到了一種從可再生能源生物質中提取綠色氫的方法。

這個過程包括兩個步驟。 首先，生物質在使用氧氣和蒸汽的新反應器中轉化為合成氣——一種富含氫氣的燃料氣體混合物。 在第二階段，使用在水中開發的低壓氣體分離器從合成氣中產生純氫氣。

這兩種技術都是在 Dasappa 的實驗室開發的，確保該過程是一種高效的綠色氫氣生產方法——它從 1 公斤生物質中生產 100 克氫氣。 結果是在這個過程中，水蒸氣——也含有氫——參與均相和多相反應（在均相反應中，反應物處於一個階段；而在非均相反應中，反應物處於一個階段；物體，兩相或多相反應物）。

使用這種工藝生產綠色氫氣是環保的另一個原因：它是負碳的。 兩種碳基副產品是作為碳儲存器的固體碳和可用於其他增值產品的二氧化碳。 Dasappa 補充說，該技術還非常符合國家氫能路線圖——印度政府的一項倡議，旨在促進使用氫作為燃料並減少對化石燃料的依賴。

該項目得到了印度政府新能源和可再生能源部和科技部的支持。 該團隊還感謝印度石油公司在一個項目中的支持​​，該項目旨在擴大技術規模，每天生產 0.25 噸氫氣，用於燃料電池巴士。

Dasappa 認為，綠色氫還可以用於許多其他行業——鋼鐵行業使鋼鐵脫碳，農業生產綠色肥料，以及許多目前使用氫的領域，即由化石燃料生產的氫。 “此外，同一平台可用於生產甲醇和乙醇，”Dasappa 補充道。