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空气制氢:未来绿氢能源的解决方案

2022-09-15

利用可再生能源从水得到的氢,被称为“绿氢”,理论上是一种终极清洁能源。化石燃料燃烧会造成大量得二氧化碳排放,导致温室效应和全球变暖;而氢气燃烧不会释放二氧化碳或任何温室气体,绿氢则更进一步,在生产氢气的过程中仅使用水和可再生的清洁能源。

绿氢通常是通过电解水制得的,即,利用电能将水分解成氢气和氧气,其中电来源于可再生能源,如太阳能、风能、地热能或者潮汐能等。此外,氢气作为可再生能源的“储存”媒介,也可以借助燃料电池等方式进一步转化回电能,以保障清洁能源稳定供给。对于低碳经济而言,绿氢必不可少。

要淡水还是要氢气?

电解水制氢严重依赖洁净水资源。据联合国水资源组织报道,全球有23亿人生活在水资源紧张的国家和地区,有7.33亿人生活在高度或严重缺水地区。电厂、农业和其他工业存在大量的水资源需求,也与饮用水资源形成一定竞争关系。

虽然水处理装置可部分缓解上述问题,但可再生能源和淡水供应之间的地理位置极不匹配,额外的净化流程也增加了电解水制氢的难度和成本。

具体来讲,生产绿氢的理想地点是太阳能和风能丰富的地区,但往往也是水资源极度短缺的地区。以地表或者地下水为原料制氢,将会进一步加剧水资源的短缺,潜在风险很大。

将空气变成氢气

来自澳大利亚墨尔本大学、中国科学院赣江创新研究院和英国曼彻斯特大学的研究人员提供了一种可以克服上述问题的方法,设计并验证了一种生产氢气但不消耗淡水的设备。这项被称为“直接空气电解槽”(DAE)的技术最近发表在《自然·通讯》上,其工作原理是直接从空气中吸收水,再通过可再生电能电解水,生产氢气。这是目前已知的第一项可以直接从空气中生产高纯氢气的报道。

网页截图

墨尔本大学Kevin Gang Li博士表示,这个想法是考虑如何在供水困难地区生产氢气时产生的。“有人认为,一个没有淡水的地区并不适合生产氢气,但其实空气中有大量的水。即使是位于澳大利亚中部沙漠中的爱丽丝泉 (Alice Springs),相对湿度大约也有20%,这对于我们利用可再生能源生产氢气来说绰绰有余。”

DAE与其他电解槽一样由金属板电极组成,但其核心在于金属板之间的多孔介质,其中充满了吸水性的离子溶液,可以自发吸收空气中的水分。

“这类物质很简单,它喜欢从空气中捕获水分子。这项发明的核心就是捕获空气中的水分子,并将它们变成用于电解的水原料。”李博士与博士生郭继宁等研究人员表示,“如果把这个装置放在空气中,它就可以产生氢气,这就是为什么我们叫它‘直接空气电解槽’。”

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空气制氢路线图 | 墨大知识产权办公室

消除绿氢生产的障碍

从空气中直接生产氢气的技术,使制氢与淡水资源脱钩,开辟绿氢生产的新通道,也将带来一系列的经济和环境效益。

通过结合太阳能及其他可再生能源,DAE技术可以让某些高碳排放行业实现零碳化,也能为没有稳定电力供应的偏远地区提供清洁氢能,此外还可以与现有系统整合,以促进绿氢生产和输送。例如,DAE制备的绿氢可以混入现有的天然气管网中输送,解决太阳能农场电力过剩的同时,也解决其他地区局部电力紧张的问题。

偏远地区的居民可以在白天使用可再生电能,而DAE可以将多余的电能转化为氢气储存起来,缺电时再重新转化成为电能,实现持续的电力供应,降低甚至消除对化石燃料的依赖。李博士说:“如果未来要发展氢气经济,为偏远社区或干旱半干旱地区提供就地生产氢气的技术具有重大意义。很多地方实际上都没有足够的淡水供应,保障这些地区有足够的绿氢供应也至关重要。"

DAE技术原理图 | 参考文献[2]

一个由可持续能源驱动的

氢气生产的新方向

这项DAE技术,目的并不是取代传统制氢工艺,而是成为一个完美的补充,当淡水资源丰富且价格便宜时,传统制氢工艺仍具有优势。经过两年半的研发和实验室论证之后,团队成员认为,该装置在技术和工艺上都易于转化并与可再生能源结合,可以在相对湿度低至4%的情况下连续产生高纯度的氢气,且维护成本很低。基于该DAE技术,可以在地球上任何地方生产绿氢,潜在的应用价值巨大。

现阶段,该技术已经完成专利布局和实验室论证,下一步是放大制氢规模、在不同地理和气候条件下进行测试,以了解其适应能力和工作性能。“我们正在扩大DAE的规模——从五层堆叠到1平方米、10平方米,以此类推。尽管可以在实验室里模拟干燥的气候,但那毕竟不是真正的沙漠。因此我们想把它带到爱丽斯泉,花几个星期的时间,看看情况如何。”在此之后,其商业化前最后阶段的重点将是能源的整合、存储和供应。

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DAE样机实物图 | 团队供图

参考文献

[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://doi.org/10.1038/s41467-022-32652-y

作者:Tess Ritchie

编译:郭继宁

编辑:靳小明

排版:尹宁流

题图来源:参考文献[2]

原文链接:https://research.unimelb.edu.au/research-at-melbourne/climate-hub/our-climate-capability/a-new-device-creates-hydrogen-from-air

研究团队

通讯作者 Guoping Hu:澳大利亚墨尔本大学、中国科学院赣江创新研究院

通讯作者 Xiaolei Fan:曼彻斯特大学,诺丁汉大学卓越灯塔计划(宁波)创新研究院

通讯作者 Gang Kevin Li:墨尔本大学

第一作者 Jining Guo:墨尔本大学

论文信息

发布期刊 《自然·通讯》 Nature Communications 

发布时间 2022年9月6日

论文标题 Hydrogen production from the air

(DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32652-y)

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