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双极膜技术让海水制氢步入新天地
文章来源:新能源网     更新时间:2023-04-18 16:31:09
海水中含有氢、氧、钠和其他元素,这对地球上的生命至关重要。但其复杂的化学成分也使得提取氢气用于清洁能源变得困难。

  现在,美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的合作者找到了一种方法,通过双膜系统和电力将海水漏斗化,从海洋中提取氢气。事实证明,他们的创新设计成功地产生了氢气,而不会产生大量有害的副产品。他们的研究结果发表在近日的《焦耳》杂志上,可能有助于推动这种低碳燃料的生产。

  “如今许多水制氢系统都试图使用单层膜。我们的研究将两个层面结合在一起,”SLAC-斯坦福联合研究所SUNCAT界面科学与催化中心的副研究员亚当·尼兰德说。“这些膜结构使我们能够控制海水中离子在实验中的移动方式。”

  氢气是一种低碳燃料,目前在很多方面都有应用,比如驱动燃料电池电动汽车,以及作为一种长时间储能选择——适合为电网储存数周、数月或更长时间的能量。

  许多生产氢气的尝试都是从淡水或海水淡化开始的,但这些方法既昂贵又耗能。处理过的水更容易处理,因为它有更少的物质——化学元素或分子——漂浮在周围。然而,研究人员说,净化水是昂贵的,需要能源,并增加了设备的复杂性。他们说,另一种选择是天然淡水,除了是地球上更有限的资源外,它们也含有一些杂质,对现代技术来说是个问题。

  为了处理海水,研究小组实施了一个双极(两层)膜系统,并使用电解对其进行了测试。他们通过控制对海水系统最有害的元素——氯化物来开始他们的设计,SLAC和斯坦福博士后研究员约瑟夫·佩里曼说。

  佩里曼说:“海水中有许多活性物质会干扰水-氢的反应,而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一。特别是,到达阳极并发生氧化的氯化物会缩短电解系统的寿命,而且由于氧化产物(包括分子氯和漂白剂)的有毒性质,实际上系统会变得不安全。”

  实验中的双极膜可以获得制造氢气所需的条件,并减轻氯离子进入反应中心的风险。

  佩里曼说,我们实际上是在研究加倍阻止氯化物反应的方法。

  氢的家园

  理想的膜系统有三个主要功能:从海水中分离氢气和氧气;有助于只移动有用的氢离子和氢氧根离子,而限制海水中的其他离子;并有助于防止不良反应。将这三种功能结合在一起是很困难的,团队的研究目标是探索能够有效结合这三种需求的系统。

  具体来说,在他们的实验中,质子,即正氢离子,通过其中一层膜,到达一个地方,在那里它们可以被收集起来,并通过与负电荷电极(阴极)相互作用变成氢气。系统中的第二层膜只允许氯化物等负离子穿过。

  斯坦福大学化学工程研究生、合著者丹妮拉·马林说,作为额外的保障,其中一层膜含有固定在膜上的带负电荷的基团,这使得其他带负电荷的离子,如氯离子,更难移动到它们不应该去的地方。在研究小组的实验中,这种带负电荷的膜被证明可以高效地阻挡几乎所有的氯离子,而且他们的系统运行时不会产生漂白剂和氯等有毒副产品。

  研究人员说,除了设计海水-氢膜系统外,这项研究还提供了对海水离子如何穿过膜的更好的总体理解。这些知识也可以帮助科学家设计出更强的膜,用于其他用途,比如生产氧气。

  马林说:“还有一些人对利用电解生产氧气感兴趣。了解我们双极膜系统中的离子流动和转化对这项工作也至关重要。除了在实验中产生氢气,我们还展示了如何使用双极膜产生氧气。”

  接下来,该团队计划通过使用更丰富、更容易开采的材料来改进电极和膜。该团队说,这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动(如交通部门)生产氢气所需的规模。

  研究人员还希望将电解电池带到SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL),在那里他们可以使用该设施的强X射线来研究催化剂和膜的原子结构。

  SLAC和斯坦福大学教授、SUNCAT主任托马斯•哈拉米略说,绿色氢技术的前景是光明的。“我们所获得的基本见解是提高该技术性能、耐久性和可扩展性,这是未来创新的关键。”

  (原文来自:全球能源 全球氢能网、新能源网综合)

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