打破資源限制 這篇NC能做無米之炊！

材料人編輯小單 1年前 (2022-09-17) 1622瀏覽

【導讀】

氫氣，尤其是利用可再生能源從水得到氫（綠氫），被普遍認為是一種終極清潔能源。化石燃料燃燒會造成大量得二氧化碳排放，從而導致溫室效應和全球氣候變暖。而氫氣燃燒并不會釋放二氧化碳或任何其他溫室氣體。綠氫則更進一步，在生產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。而電則可來源于可再生能源，如太陽能、風能、地熱能或者潮汐能等。由于氫氣可作為可再生能源得 "儲存"媒介，它可以通過燃料電池等方式進一步轉化回電能以保障清潔能源持續供給。對于低碳經濟而言，綠氫必不可少。

【成果掠影】

近日，來自澳大利亞墨爾本大學的Kevin Gang Li，中國科學院贛江創新研究院胡國平，英國曼徹斯特大學范曉雷（共同通訊）和他們共同指導的博士生郭繼寧等展示了一種從空氣中直接制氫的方法，使用吸濕性電解質從大氣中原位捕獲淡水，并通過太陽能或風能進行電解，完成高純氫的制備，使得氫氣生產與淡水資源脫鉤，為未來碳中和提供了一個新方向。該空氣電解器（DAE）可以在較寬的相對濕度下穩定工作，即使相對濕度為4%的極干燥環境下仍然可以正常運行，克服了由于水資源不足和分布不均對氫氣生產部署的限制。同時，文中演示了空氣電解器（DAE）12天連續制備高純氫氣，運行穩定且法拉第效率高達95%。這項工作開辟了一條不消耗液態水而生產綠色氫氣的可持續途徑。研究成果以題為“Hydrogen production from the air”發布在國際著名期刊Nature Communication上。文章甫一發布，就吸引眾多目光，至今Altmetric指數逼近700，已有2.6萬訪問。

面對這項突破性的進展，我們特別邀請到了文章的通訊作者胡國平老師及Gang Kevin Li老師，對這項內容進行簡單的答疑。訪問內容附在文末，敬請閱讀！

【核心創新點】

  1. 基于氫氧化鉀、硫酸、丙二醇等潮解材料可以從干燥的空氣中吸收水蒸氣的特性，提出了一種通過電解暴露在空氣中的吸濕性電解質來生產高純度氫的方法。
  2. 這項工作開辟了一條不消耗液態水而生產綠色氫氣的可持續途徑。通過優化制氫結構充分利用了分布廣泛的自然資源（太陽能、風能）和水蒸氣，擺脫了制氫所需要的水和電的限制。
  3. 科學是研究工作的依據，而工程則是實現研究工作的必要手段。只有科學設計和工程手段合理耦合，才能將想法變為現實。

【專訪問答】

1.文章提出，利用潮解材料可以從干燥的空氣中吸收水蒸氣，解決了制氫對淡水的依賴。我們好奇，結構中H2SO4或者KOH除了吸收水分之外還有其他作用嗎？

H2SO4?和 KOH 不僅是良好的吸水劑，也是很優秀的電解質。它們水溶液的電導率比較高，很適合用作電解制氫。

2.文中提出利用太陽能、風能等綠色能源進行電解水制氫。電解水制氫對電壓/電流有什么特殊要求嗎？

電壓要達到電解水的最小所需電壓，約在2-3V 左右，當然也取決于具體的操作條件。通常情況下，電流越大越好。

 

3.工藝上來說，作為目前已知的第一項可以直接從空氣中生產高純氫氣的方案，結合您在氣體吸附、分離領域的研究，您認為未來哪些材料或方法可以在改進工藝上做出較大貢獻？

改進主要集中在電解液的配方上，其一是采用低腐蝕性或無腐蝕性電解液可以避免使用貴金屬電極從而降低電解槽固定成本，其二是采用吸水性更好和在空氣中更穩定的電解液來提高吸水效率。

4.這項成果想要實現產業化，還有哪些方面的難題需要解決？未來您和課題組的研究方向會集中在哪些方面呢？

產業化需要解決的問題是如何有效的放大空氣電解槽而不損失法拉第效率和電流效率，這些需要更多的電解槽的設計優化和系統集成。

【圖文概覽】

 

圖1. 水短缺風險和可再生能源的疊加圖譜? 2022 The Authors

電解水制氫嚴重依賴潔凈水資源。然而，據聯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，其中7.33億人生活在高度或嚴重缺水地區（聯合國水資源組織，2021）。目前，電廠、農業和其他工業需要大量的水資源以滿足其生產需求，并且與人類賴以生存的飲用水資源形成了一定的競爭關系。雖然水處理裝置可在一定程度上緩解上述問題，但額外的凈化流程無疑增加了電解水制氫的復雜性和成本，為其可行性帶來了極大挑戰。此外，可再生能源和淡水供應之間的地理位置極不匹配。

具體來講，生產綠氫的理想地點是太陽能和風能豐富的地區，包括中亞、西亞、印度的大部分地區、北非、北美西部和澳大利亞的大部分地區，同時這些地區往往也是水資源極度短缺的地區，導致飲用水與工業用水之間的競爭關系。因此，將地表或者地下水作為原料用于制氫將會進一步加劇水資源的短缺，進而引發水資源危機。此外，綠氫經濟也將加劇全球淡水短缺的風險。

用于制氫的空氣電解器(DAE) 的設計

圖2. 用于制氫的空氣電解器(DAE)概念：a. DAE示意圖，帶有由浸透吸濕離子溶液的多孔介質制成的集水單元；b. DAE橫截面示意圖，其中電極與空氣進料隔離，吸收的水可以通過海綿的毛細管輸送到電極；c. 不同空氣濕度下吸濕溶液的平衡吸水率；d.?使用KOH作為電解質和Pt或Ni作為電極的DAE的J–V曲線；e.?海綿材料對使用H2SO4作為電解質的DAE的J-V性能的影響?；? 2022 The Authors

DAE的技術原理論如圖2所示。DAE由中間的集水單元和兩側的電極與氣體收集器組成。DAE可以與任何形式的電源集成，例如太陽能電池板、風力發電機等。集水單元不僅可以用來吸水， 還可以用作儲存電解液的容器。將三聚氰胺海綿、燒結玻璃泡沫等多孔介質浸入具有潮解性的離子溶液，通過暴露的表面吸收空氣中的水分。同時，液相中捕獲的水通過擴散轉移到電極表面，隨后分別在陰極電極和陽極電極分解為氫氣和氧氣。端板和多孔海綿之間的儲槽可以在空氣濕度變化而導致離子溶液體積變化時作為緩沖，可有效避免電解液從 DAE中溢出或潤濕的泡沫突然變得干涸。這種多孔海綿確保電解質在海綿的毛細管中的自由運動的同時，充滿離子溶液的海綿還能形成物理屏障，有效地將生成的氫氣和氧氣與空氣隔離開。

直接空氣電解 (DAE) 模塊的性能

圖3. DAE在25℃下的性能：a. 使用不同孔徑的多孔海綿的J-V曲線；b. 溫度和海綿厚度對J-V曲線的影響；c. J=15.0 mA cm-2時硫酸的穩態實驗濃度隨相對濕度的變化規律；d. DAE在不同H2SO4濃度下的J-V曲線；e. 電池電壓（黑色）、H2SO4濃度（紅色）、法拉第效率（藍色）隨時間的變化；f. 特定電壓下DAE的電流密度隨時間的變化；? 2022 The Authors

在對于不同的海綿厚度、 海綿孔徑結構以及不同濕度以及電流下的平衡濃度的研究后，研究人員開展了不同濕度下的48小時的穩定性測試。經過最初的小幅波動和連續電解48 小時后， 系統的J-V曲線仍保持穩定。對于進一步的實驗室測試，研究人員選擇了40%相對濕度，在15mA cm-2的條件下對DAE進行了長達12天的穩定性實驗。如圖 4e 所示，供給DAE的 H2SO4?濃度最初為 55.2 wt%，在前 120 小時內減小到 51.1 wt%。在接下來的 168 小時內，電解質濃度、DAE 的電壓、吸濕的傳質驅動力 (ΔC = Cexp[51.1 wt%] - C*[47.7 wt%] = 3.4 wt%) 和 H2?法拉第效率（約 95%）均十分穩定。此外，在特定電壓（2.4、2.7、3.0 V）下的相應電流密度在這 12 天的連續運行中也處于穩定狀態（圖 4f）。該結果表明 DAE 在不同空氣相對濕度、電壓和電解質濃度下具有極好的適應性和長期穩定性。

露天演示帶有太陽能電池板的直接空氣電解 (DAE)模塊堆疊

 

圖4. 2020年12月墨爾本制氫塔的露天演示：a. 設計的制氫塔的照片；b. 在不同的天氣條件，即相應的空氣濕度和溫度下，每小時的氫氣生產速率和法拉第效率；c. 我們的工作與目前報道的性能最好的太陽能驅動水/蒸汽分解的比較；? 2022 The Authors

為了進一步展示DAE在實際環境中的工作能力，研究人員設計并建造了一個獨立的制氫樣機（圖5a），它由五個平行堆疊的DAE模塊組成，垂直疊加一個太陽能電池板進行供電。這種設計的優點之一是塔的占地面積不超過太陽能電池板，即DAE 不會占用額外的土地。環境測試的地點位于墨爾本大學校園內，天氣為炎熱干燥的夏季（地中海氣候），時間為期兩天，每天 8 小時。室外溫度在 20°C 到 40°C 之間波動，空氣相對濕度在20-40%之間波動。從陰極放出的產物氫氣被收集在倒置的、充滿水的量筒中，并用于檢查氣體生產效率。陽極上產生的氧氣被排放到空氣中。在室外測試過程中，氫氣的法拉第效率平均為 95%。第一天天氣晴朗時，電流輸出穩定在400 mA左右，電壓2.68 V。析氫速率為186 ml h-1，一天的總產氫量為1490 ml，相當于745 L H2?day-1?m-2，或 3.7 m3?H2?day-1（m2塔）-1。

第二天，陽光保證了9:00-13:00電流輸出穩定在400 mA，平均產氫率約為179 ml h-1，與第一天相近。但在清晨8:00至9:00，太陽強度有限，導致電流輸出相對較低，為270-370 mA，產氫率為140 ml h-1。在下午（14:00至16:00）天氣轉陰，使太陽能電池板的電流輸出低至50 mA，因此氫氣的產生率下降到21 ml h-1。綜合來看，在非理想天氣條件下，第二天的總產氫量仍能達到1188?ml。

【成果啟示】

這項DAE技術的目的并不是取代傳統制氫工藝，而是對其的一個完美的補充。當淡水資源豐富且價格便宜時，傳統制氫工藝仍具有優勢。經過兩年半的研發和實驗室論證之后，團隊成員認為該裝置可以容易地進行放大并與可再生能源進行結合，可以在相對濕度低至4%的情況下連續產生高純度的氫氣，這在技術上和結構上都是可行的，并且維護成本很低。基于該DAE技術，綠氫可以在地球上任何地方進行生產，具有巨大的潛在的應用價值。

該技術已經完成專利布局和實驗室階段論證，下一步是放大制氫規模，以及在不同地理和氣候條件下進行測試，以了解其適應不同條件的能力和在不同條件下的工作性能。研究人員正在擴大DAE的規模——從五層堆疊到1平方米，然后是10平方米，以此類推，環境測試也在后期計劃之內。

 

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y

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