原創(chuàng) 未來光錐加速器 我是科學家iScientist

利用可再生能源從水得到的氫，被稱為“綠氫”，理論上是一種終極清潔能源?；剂先紵龝斐纱罅康枚趸寂欧?，導致溫室效應(yīng)和全球變暖；而氫氣燃燒不會釋放二氧化碳或任何溫室氣體，綠氫則更進一步，在生產(chǎn)氫氣的過程中僅使用水和可再生的清潔能源。

綠氫通常是通過電解水制得的，即，利用電能將水分解成氫氣和氧氣，其中電來源于可再生能源，如太陽能、風能、地熱能或者潮汐能等。此外，氫氣作為可再生能源的“儲存”媒介，也可以借助燃料電池等方式進一步轉(zhuǎn)化回電能，以保障清潔能源穩(wěn)定供給。對于低碳經(jīng)濟而言，綠氫必不可少。

要淡水還是要氫氣？

電解水制氫嚴重依賴潔凈水資源。據(jù)聯(lián)合國水資源組織報道，全球有23億人生活在水資源緊張的國家和地區(qū)，有7.33億人生活在高度或嚴重缺水地區(qū)。電廠、農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)存在大量的水資源需求，也與飲用水資源形成一定競爭關(guān)系。

雖然水處理裝置可部分緩解上述問題，但可再生能源和淡水供應(yīng)之間的地理位置極不匹配，額外的凈化流程也增加了電解水制氫的難度和成本。

具體來講，生產(chǎn)綠氫的理想地點是太陽能和風能豐富的地區(qū)，但往往也是水資源極度短缺的地區(qū)。以地表或者地下水為原料制氫，將會進一步加劇水資源的短缺，潛在風險很大。

將空氣變成氫氣

來自澳大利亞墨爾本大學、中國科學院贛江創(chuàng)新研究院和英國曼徹斯特大學的研究人員提供了一種可以克服上述問題的方法，設(shè)計并驗證了一種生產(chǎn)氫氣但不消耗淡水的設(shè)備。這項被稱為“直接空氣電解槽”（DAE）的技術(shù)最近發(fā)表在《自然·通訊》上，其工作原理是直接從空氣中吸收水，再通過可再生電能電解水，生產(chǎn)氫氣。這是目前已知的第一項可以直接從空氣中生產(chǎn)高純氫氣的報道。

網(wǎng)頁截圖

墨爾本大學Kevin Gang Li博士表示，這個想法是考慮如何在供水困難地區(qū)生產(chǎn)氫氣時產(chǎn)生的。“有人認為，一個沒有淡水的地區(qū)并不適合生產(chǎn)氫氣，但其實空氣中有大量的水。即使是位于澳大利亞中部沙漠中的愛麗絲泉 (Alice Springs)，相對濕度大約也有20%，這對于我們利用可再生能源生產(chǎn)氫氣來說綽綽有余?！?/p>

DAE與其他電解槽一樣由金屬板電極組成，但其核心在于金屬板之間的多孔介質(zhì)，其中充滿了吸水性的離子溶液，可以自發(fā)吸收空氣中的水分。

“這類物質(zhì)很簡單，它喜歡從空氣中捕獲水分子。這項發(fā)明的核心就是捕獲空氣中的水分子，并將它們變成用于電解的水原料?！崩畈┦颗c博士生郭繼寧等研究人員表示，“如果把這個裝置放在空氣中，它就可以產(chǎn)生氫氣，這就是為什么我們叫它'直接空氣電解槽’。”

空氣制氫路線圖 | 墨大知識產(chǎn)權(quán)辦公室

消除綠氫生產(chǎn)的障礙

從空氣中直接生產(chǎn)氫氣的技術(shù)，使制氫與淡水資源脫鉤，開辟綠氫生產(chǎn)的新通道，也將帶來一系列的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

通過結(jié)合太陽能及其他可再生能源，DAE技術(shù)可以讓某些高碳排放行業(yè)實現(xiàn)零碳化，也能為沒有穩(wěn)定電力供應(yīng)的偏遠地區(qū)提供清潔氫能，此外還可以與現(xiàn)有系統(tǒng)整合，以促進綠氫生產(chǎn)和輸送。例如，DAE制備的綠氫可以混入現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)中輸送，解決太陽能農(nóng)場電力過剩的同時，也解決其他地區(qū)局部電力緊張的問題。

偏遠地區(qū)的居民可以在白天使用可再生電能，而DAE可以將多余的電能轉(zhuǎn)化為氫氣儲存起來，缺電時再重新轉(zhuǎn)化成為電能，實現(xiàn)持續(xù)的電力供應(yīng)，降低甚至消除對化石燃料的依賴。李博士說：“如果未來要發(fā)展氫氣經(jīng)濟，為偏遠社區(qū)或干旱半干旱地區(qū)提供就地生產(chǎn)氫氣的技術(shù)具有重大意義。很多地方實際上都沒有足夠的淡水供應(yīng)，保障這些地區(qū)有足夠的綠氫供應(yīng)也至關(guān)重要。'

DAE技術(shù)原理圖 | 參考文獻[2]

一個由可持續(xù)能源驅(qū)動的

氫氣生產(chǎn)的新方向

這項DAE技術(shù)，目的并不是取代傳統(tǒng)制氫工藝，而是成為一個完美的補充，當?shù)Y源豐富且價格便宜時，傳統(tǒng)制氫工藝仍具有優(yōu)勢。經(jīng)過兩年半的研發(fā)和實驗室論證之后，團隊成員認為，該裝置在技術(shù)和工藝上都易于轉(zhuǎn)化并與可再生能源結(jié)合，可以在相對濕度低至4%的情況下連續(xù)產(chǎn)生高純度的氫氣，且維護成本很低?；谠揇AE技術(shù)，可以在地球上任何地方生產(chǎn)綠氫，潛在的應(yīng)用價值巨大。

現(xiàn)階段，該技術(shù)已經(jīng)完成專利布局和實驗室論證，下一步是放大制氫規(guī)模、在不同地理和氣候條件下進行測試，以了解其適應(yīng)能力和工作性能?！拔覀冋跀U大DAE的規(guī)模——從五層堆疊到1平方米、10平方米，以此類推。盡管可以在實驗室里模擬干燥的氣候，但那畢竟不是真正的沙漠。因此我們想把它帶到愛麗斯泉，花幾個星期的時間，看看情況如何?！痹诖酥?，其商業(yè)化前最后階段的重點將是能源的整合、存儲和供應(yīng)。

DAE樣機實物圖 | 團隊供圖

參考文獻

[1] UN-Water, 2021: Summary Progress Update 2021 – SDG 6 – water and sanitation for all. Version: July 2021. Geneva, Switzerland.

[2] Guo, J., Zhang, Y., Zavabeti, A. et al. Hydrogen production from the air. Nat Commun 13, 5046 (2022). https:///10.1038/s41467-022-32652-y