氢是未来减少碳排放的有力能源。目前氢气的制取通常是从淡水或者淡化水开始,但这些方法可能既昂贵又耗能。海水是氢、氧、钠和其他元素的复杂混合物,这使得提取氢气用于清洁能源变得困难。
现在,研究人员已经找到了一种从海洋中提取氢气的方法,即通过双膜系统和电力输送海水。
由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员与俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的合作者共同开发的创新设计被证明成功地产生了氢气,而不会产生大量有害的副产物。
该团队实施了一种双膜系统,并对其进行了电解测试,电解是一种使用电力驱动离子或带电元素以运行所需反应的方法。
“海水中有许多反应性物质可以干扰水到氢的反应,而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一,”SLAC和斯坦福大学博士后研究员Joseph Perryman说。“到达阳极并氧化的氯化物会缩短电解系统的使用寿命,特别是分子氯和漂白剂在内的氧化产物拥有毒性。
实验中的双极膜允许进入制造氢气所需的条件,并减轻氯化物进入反应中心。在他们的实验中,质子,即正氢离子,穿过第一膜层,通过与带负电的电极阴极相互作用并转化为氢气。第二层膜只允许负离子(如氯化物)通过。
具体来看,一个膜层包含了固定在膜上的带负电荷的基团。研究人员说,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在的地方。在该团队的实验中,人们发现带负电荷的膜可以高效地阻挡几乎所有的氯离子。此外,他们的系统运行时不会产生漂白剂和氯等有毒副产品。
斯坦福大学化学工程研究生、合著者丹妮拉·马林(Daniela Marin)说:“人们对利用电解生产氧气也有一些兴趣。”“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。”
在未来的工作中,研究人员计划通过使用更丰富和更容易开采的材料来改进电极和膜。该团队说,这种设计上的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)产生氢气所需的规模。
“绿色氢技术的未来是光明的,”SLAC和斯坦福大学教授、SUNCAT主任托马斯·贾拉米略说。“我们所获得的基本见解是未来创新的关键,可以提高该技术的性能、耐久性和可扩展性。”