打破资源限制 这篇NC能做无米之炊！

材料人编辑小单 2年前 (2022-09-17) 2024浏览

【导读】

氢气，尤其是利用可再生能源从水得到氢（绿氢），被普遍认为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，从而导致温室效应和全球气候变暖。而氢气燃烧并不会释放二氧化碳或任何其他温室气体。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。而电则可来源于可再生能源，如太阳能、风能、地热能或者潮汐能等。由于氢气可作为可再生能源得 "储存"媒介，它可以通过燃料电池等方式进一步转化回电能以保障清洁能源持续供给。对于低碳经济而言，绿氢必不可少。

【成果掠影】

近日，来自澳大利亚墨尔本大学的Kevin Gang Li，中国科学院赣江创新研究院胡国平，英国曼彻斯特大学范晓雷（共同通讯）和他们共同指导的博士生郭继宁等展示了一种从空气中直接制氢的方法，使用吸湿性电解质从大气中原位捕获淡水，并通过太阳能或风能进行电解，完成高纯氢的制备，使得氢气生产与淡水资源脱钩，为未来碳中和提供了一个新方向。该空气电解器（DAE）可以在较宽的相对湿度下稳定工作，即使相对湿度为4%的极干燥环境下仍然可以正常运行，克服了由于水资源不足和分布不均对氢气生产部署的限制。同时，文中演示了空气电解器（DAE）12天连续制备高纯氢气，运行稳定且法拉第效率高达95%。这项工作开辟了一条不消耗液态水而生产绿色氢气的可持续途径。研究成果以题为“Hydrogen production from the air”发布在国际著名期刊Nature Communication上。文章甫一发布，就吸引众多目光，至今Altmetric指数逼近700，已有2.6万访问。

面对这项突破性的进展，我们特别邀请到了文章的通讯作者胡国平老师及Gang Kevin Li老师，对这项内容进行简单的答疑。访问内容附在文末，敬请阅读！

【核心创新点】

  1. 基于氢氧化钾、硫酸、丙二醇等潮解材料可以从干燥的空气中吸收水蒸气的特性，提出了一种通过电解暴露在空气中的吸湿性电解质来生产高纯度氢的方法。
  2. 这项工作开辟了一条不消耗液态水而生产绿色氢气的可持续途径。通过优化制氢结构充分利用了分布广泛的自然资源（太阳能、风能）和水蒸气，摆脱了制氢所需要的水和电的限制。
  3. 科学是研究工作的依据，而工程则是实现研究工作的必要手段。只有科学设计和工程手段合理耦合，才能将想法变为现实。

【专访问答】

1.文章提出，利用潮解材料可以从干燥的空气中吸收水蒸气，解决了制氢对淡水的依赖。我们好奇，结构中H2SO4或者KOH除了吸收水分之外还有其他作用吗？

H2SO4和 KOH 不仅是良好的吸水剂，也是很优秀的电解质。它们水溶液的电导率比较高，很适合用作电解制氢。

2.文中提出利用太阳能、风能等绿色能源进行电解水制氢。电解水制氢对电压/电流有什么特殊要求吗？

电压要达到电解水的最小所需电压，约在2-3V 左右，当然也取决于具体的操作条件。通常情况下，电流越大越好。

3.工艺上来说，作为目前已知的第一项可以直接从空气中生产高纯氢气的方案，结合您在气体吸附、分离领域的研究，您认为未来哪些材料或方法可以在改进工艺上做出较大贡献？

改进主要集中在电解液的配方上，其一是采用低腐蚀性或无腐蚀性电解液可以避免使用贵金属电极从而降低电解槽固定成本，其二是采用吸水性更好和在空气中更稳定的电解液来提高吸水效率。

4.这项成果想要实现产业化，还有哪些方面的难题需要解决？未来您和课题组的研究方向会集中在哪些方面呢？

产业化需要解决的问题是如何有效的放大空气电解槽而不损失法拉第效率和电流效率，这些需要更多的电解槽的设计优化和系统集成。

【图文概览】

图1. 水短缺风险和可再生能源的叠加图谱© 2022The Authors

电解水制氢严重依赖洁净水资源。然而，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，其中7.33亿人生活在高度或严重缺水地区（联合国水资源组织，2021）。目前，电厂、农业和其他工业需要大量的水资源以满足其生产需求，并且与人类赖以生存的饮用水资源形成了一定的竞争关系。虽然水处理装置可在一定程度上缓解上述问题，但额外的净化流程无疑增加了电解水制氢的复杂性和成本，为其可行性带来了极大挑战。此外，可再生能源和淡水供应之间的地理位置极不匹配。

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，包括中亚、西亚、印度的大部分地区、北非、北美西部和澳大利亚的大部分地区，同时这些地区往往也是水资源极度短缺的地区，导致饮用水与工业用水之间的竞争关系。因此，将地表或者地下水作为原料用于制氢将会进一步加剧水资源的短缺，进而引发水资源危机。此外，绿氢经济也将加剧全球淡水短缺的风险。

用于制氢的空气电解器(DAE) 的设计

图2. 用于制氢的空气电解器(DAE)概念：a. DAE示意图，带有由浸透吸湿离子溶液的多孔介质制成的集水单元；b. DAE横截面示意图，其中电极与空气进料隔离，吸收的水可以通过海绵的毛细管输送到电极；c. 不同空气湿度下吸湿溶液的平衡吸水率；d. 使用KOH作为电解质和Pt或Ni作为电极的DAE的J–V曲线；e. 海绵材料对使用H2SO4作为电解质的DAE的J-V性能的影响 ；© 2022The Authors

DAE的技术原理论如图2所示。DAE由中间的集水单元和两侧的电极与气体收集器组成。DAE可以与任何形式的电源集成，例如太阳能电池板、风力发电机等。集水单元不仅可以用来吸水， 还可以用作储存电解液的容器。将三聚氰胺海绵、烧结玻璃泡沫等多孔介质浸入具有潮解性的离子溶液，通过暴露的表面吸收空气中的水分。同时，液相中捕获的水通过扩散转移到电极表面，随后分别在阴极电极和阳极电极分解为氢气和氧气。端板和多孔海绵之间的储槽可以在空气湿度变化而导致离子溶液体积变化时作为缓冲，可有效避免电解液从 DAE中溢出或润湿的泡沫突然变得干涸。这种多孔海绵确保电解质在海绵的毛细管中的自由运动的同时，充满离子溶液的海绵还能形成物理屏障，有效地将生成的氢气和氧气与空气隔离开。

直接空气电解 (DAE) 模块的性能

图3. DAE在25℃下的性能：a. 使用不同孔径的多孔海绵的J-V曲线；b. 温度和海绵厚度对J-V曲线的影响；c. J=15.0 mA cm-2时硫酸的稳态实验浓度随相对湿度的变化规律；d. DAE在不同H2SO4浓度下的J-V曲线；e. 电池电压（黑色）、H2SO4浓度（红色）、法拉第效率（蓝色）随时间的变化；f. 特定电压下DAE的电流密度随时间的变化；© 2022The Authors

在对于不同的海绵厚度、 海绵孔径结构以及不同湿度以及电流下的平衡浓度的研究后，研究人员开展了不同湿度下的48小时的稳定性测试。经过最初的小幅波动和连续电解48 小时后， 系统的J-V曲线仍保持稳定。对于进一步的实验室测试，研究人员选择了40%相对湿度，在15mA cm-2的条件下对DAE进行了长达12天的稳定性实验。如图 4e 所示，供给DAE的 H2SO4浓度最初为 55.2 wt%，在前 120 小时内减小到 51.1 wt%。在接下来的 168 小时内，电解质浓度、DAE 的电压、吸湿的传质驱动力 (ΔC = Cexp[51.1 wt%] - C*[47.7 wt%] = 3.4 wt%) 和 H2法拉第效率（约 95%）均十分稳定。此外，在特定电压（2.4、2.7、3.0 V）下的相应电流密度在这 12 天的连续运行中也处于稳定状态（图 4f）。该结果表明 DAE 在不同空气相对湿度、电压和电解质浓度下具有极好的适应性和长期稳定性。

露天演示带有太阳能电池板的直接空气电解 (DAE)模块堆叠

图4. 2020年12月墨尔本制氢塔的露天演示：a. 设计的制氢塔的照片；b. 在不同的天气条件，即相应的空气湿度和温度下，每小时的氢气生产速率和法拉第效率；c. 我们的工作与目前报道的性能最好的太阳能驱动水/蒸汽分解的比较；© 2022The Authors

为了进一步展示DAE在实际环境中的工作能力，研究人员设计并建造了一个独立的制氢样机（图5a），它由五个平行堆叠的DAE模块组成，垂直叠加一个太阳能电池板进行供电。这种设计的优点之一是塔的占地面积不超过太阳能电池板，即DAE 不会占用额外的土地。环境测试的地点位于墨尔本大学校园内，天气为炎热干燥的夏季（地中海气候），时间为期两天，每天 8 小时。室外温度在 20°C 到 40°C 之间波动，空气相对湿度在20-40%之间波动。从阴极放出的产物氢气被收集在倒置的、充满水的量筒中，并用于检查气体生产效率。阳极上产生的氧气被排放到空气中。在室外测试过程中，氢气的法拉第效率平均为 95%。第一天天气晴朗时，电流输出稳定在400 mA左右，电压2.68 V。析氢速率为186 ml h-1，一天的总产氢量为1490 ml，相当于745 L H2day-1m-2，或 3.7 m3H2day-1（m2塔）-1。

第二天，阳光保证了9:00-13:00电流输出稳定在400 mA，平均产氢率约为179 ml h-1，与第一天相近。但在清晨8:00至9:00，太阳强度有限，导致电流输出相对较低，为270-370 mA，产氢率为140 ml h-1。在下午（14:00至16:00）天气转阴，使太阳能电池板的电流输出低至50 mA，因此氢气的产生率下降到21 ml h-1。综合来看，在非理想天气条件下，第二天的总产氢量仍能达到1188 ml。

【成果启示】

这项DAE技术的目的并不是取代传统制氢工艺，而是对其的一个完美的补充。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可以容易地进行放大并与可再生能源进行结合，可以在相对湿度低至4%的情况下连续产生高纯度的氢气，这在技术上和结构上都是可行的，并且维护成本很低。基于该DAE技术，绿氢可以在地球上任何地方进行生产，具有巨大的潜在的应用价值。

该技术已经完成专利布局和实验室阶段论证，下一步是放大制氢规模，以及在不同地理和气候条件下进行测试，以了解其适应不同条件的能力和在不同条件下的工作性能。研究人员正在扩大DAE的规模——从五层堆叠到1平方米，然后是10平方米，以此类推，环境测试也在后期计划之内。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y

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