空氣制氫：未來綠氫能源的解決方案

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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、英國曼徹斯特大學範曉雷和他們共同指導的博士研究生郭繼寧等人開發了一種從空氣中生產氫氣的方法，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。

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。而氫氣燃燒並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。綠氫通常是透過電解水製得的，即，利用電能將水分解成氫氣和氧氣。而電則可來源於可再生能源，如太陽能、風能、地熱能或者潮汐能等。由於氫氣可作為可再生能源的“儲存”媒介，它可以透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。對於低碳經濟而言，綠氫必不可少。

要淡水還是要氫氣？

電解水制氫嚴重依賴潔淨水資源。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，並且與人類賴以生存的飲用水資源形成了一定的競爭關係。雖然水處理裝置可在一定程度上緩解上述問題，但額外的淨化流程無疑增加了電解水制氫的複雜性和成本，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係。因此，將地表或者地下水作為原料用於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。

圖1。淡水供應與太陽能（a）和風能（b）之間的矛盾

將空氣變成氫氣

來自於墨爾本大學和曼徹斯特大學的研究人員提供一種可以克服上述問題的方法，設計並驗證了一種可以不消耗淡水而生產氫氣的裝置。這項技術最近發表在《自然•通訊》上，

被稱為空氣電解器（DAE），其工作原理是直接從空氣中吸收水，然後再透過可再生電能電解水生產氫氣。

DAE與其他電解器一樣，由金屬板電極組成，為水的分解過程提供能量（來自可再生能源）。但其核心在於金屬板之間的多孔介質，裡面充滿了吸水性的離子溶液——一種可以自發吸收空氣中水分的化學物質。這類物質很簡單，它喜歡從空氣中捕獲水分子。當水分子從空氣中捕捉下來，它們就變成了可以進行電解的水原料。如果將本裝置暴露在空氣中，它可以直接生產氫氣。這就是為什麼我們叫它直接空氣電解器。

圖2。空氣制氫路線圖

消除綠氫生產的障礙

透過實現從空氣中直接生產氫氣，該技術使制氫與淡水資源脫鉤，開闢綠氫製造的新通道，將帶來一系列的經濟和環境效益。對於高碳排放的行業，如冶金等，DAE可以透過將該技術與太陽能或其他可再生能源相結合，為其提供穩定的可再生能源供給以實現零碳化。透過利用再生能源，DAE技術還可以在沒有穩定電力供應的偏遠地區獨立使用，提供清潔氫能。此外該技術還可以與現有系統進行整合，以促進綠氫生產和輸送。例如，在現有的天然氣管網中，DAE製備的綠氫可以混入天然氣進行輸送，解決太陽能農場電力過剩的問題，並將綠氫出口到所需地區。

圖3。 DAE技術原理圖

DAE的技術原理論如圖3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整合，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，透過暴露的表面吸收空氣中的水分。同時，液相中捕獲的水透過擴散轉移到電極表面，隨後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溼度變化而導致離子溶液體積變化時作為緩衝，可有效避免電解液從 DAE中溢位或潤溼的泡沫突然變得乾涸。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。

圖4。 DAE的效能測試

在對於不同的海綿厚度、海綿孔徑結構以及不同溼度以及電流下的平衡濃度的研究後，研究人員開展了不同溼度下的48小時的穩定性測試。經過最初的小幅波動和連續電解48 小時後，系統的J-V曲線仍保持穩定。對於進一步的實驗室測試，研究人員選擇了40%相對溼度，在15 mA 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、吸溼的傳質驅動力（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 天的連續執行中也處於穩定狀態（圖4f）。該結果表明 DAE 在不同空氣相對溼度、電壓和電解質濃度下具有極好的適應性和長期穩定性。

圖5。制氫塔的露天演示（2020。12，澳大利亞墨爾本）

為了進一步展示DAE在實際環境中的工作能力，研究人員設計並建造了一個獨立的制氫樣機（圖5a），它由五個平行堆疊的DAE模組組成，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佔地面積不超過太陽能電池板，即DAE 不會佔用額外的土地。環境測試的地點位於墨爾本大學校園內，天氣為炎熱乾燥的夏季（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，空氣相對溼度在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，並用於檢查氣體生產效率。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，相當於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。

一個由可持續能源驅動的氫氣生產的新方向

這項DAE技術的目的並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後，團隊成員認為該裝置可以容易地進行放大並與可再生能源進行結合，可以在相對溼度低至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，並且維護成本很低。基於該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佈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，以瞭解其適應不同條件的能力和在不同條件下的工作效能。研究人員正在擴大DAE的規模——從五層堆疊到1平方米，然後是10平方米，以此類推，環境測試也在後期計劃之內。