西班牙一座绿色氢能工厂消耗了大量淡水。图片来源：ANGEL GARCIA
利用可再生能源分解水分子制成绿色氢气，可为重型车辆提供动力，并使炼钢等行业脱碳，而不会排放二氧化碳。但由于电解槽是为纯水设计的，扩大绿色氢气的生产规模可能会加剧全球淡水短缺。现在，3个研究小组报告了直接从海水中生产氢气的进展。未来，海水可能成为取之不尽的绿色氢气来源。
当前，几乎所有氢气都是通过分解甲烷、燃烧化石燃料制造而成，这两种方法都会释放二氧化碳。“绿氢”可以取代这种“脏氢”，但价格却翻了两番——每公斤约5美元。价格高昂的主要原因是电解槽成本很高，因为后者依赖于贵金属制成的催化剂。
美国能源部最近启动了一项为期10年的计划改进电解槽，并将绿色氢气的成本降至每公斤1美元。如果成功，绿色氢气产量将飙升，但世界淡水供应可能会面临压力。使用电解法生产1公斤氢气需要约10公斤水。根据国际可再生能源署的数据，将绿色氢气用于关键行业，每年可能需要大约250亿立方米淡水，相当于一个拥有6200万人口国家的年用水量。
而海水是取之不尽的，但分离海水仍面临挑战。电解槽的构造很像电池，一对电极被电解质包围。阴极上的催化剂将水分子分解成氢离子和羟基离子。阴极上多余的电子将成对的氢离子合成氢气。然而，当使用海水时，阳极产生的氧气会将盐水中的氯离子转化为具有高度腐蚀性的氯气，从而侵蚀电极和催化剂。这通常会导致电解槽在数小时内发生故障。
现在，3个研究小组报告了为阻止这种腐蚀作出的努力。
澳大利亚皇家墨尔本理工大学材料科学家Nasir Mahmood领导的团队近日在Small报道称，在电极涂上硫酸盐和磷酸盐等带负电的化合物，可以排斥带负电的氯离子，从而防止氯气形成。
澳大利亚阿德莱德大学纳米技术专家乔世璋和同事则对电解槽进行了改造，即使用只能渗透氢离子的膜。这种设置在阳极而不是阴极分离水分子，抢走电子以释放氢离子。离子通过膜迁移到阴极，在那里与电子结合生成氢气。他们近日在《自然-能源》报道称，该装置可在高水流下分解海水100小时而不被腐蚀。
中国南京工业大学教授邵宗平和同事采取第三种抵御氯化物的策略。他们用膜包围电极，当电解槽将淡水转化为氢气和氧气时会产生压力，吸引更多水分子通过膜，以补充淡水供应。他们日前在《自然》报告说，该装置运行了3200个小时而没有退化迹象。
过滤盐的膜类似于商业海水淡化厂用的膜。这些膜可以足够高效地生产淡水，同时每公斤绿色氢气的成本仅增加0.01美元。
不过Mahmood表示，对于那些负担不起大规模资本项目的国家来说，海水淡化并不是一个很好的选择。耐腐蚀电极也可用于开发其他不纯净的水源，如废水和苦咸水等。
(李木子)
相关论文信息：
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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