原創(chuàng) 未來光錐加速器 我是科學家iScientist

利用可再生能源從水得到的氫，被稱為“綠氫”，理論上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，導致溫室效應和全球變暖；而氫氣燃燒不會釋放二氧化碳或任何溫室氣體，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，其中電來源于可再生能源，如太陽能、風能、地熱能或者潮汐能等。此外，氫氣作為可再生能源的“儲存”媒介，也可以借助燃料電池等方式進一步轉化回電能，以保障清潔能源穩(wěn)定供給。對于低碳經濟而言，綠氫必不可少。

要淡水還是要氫氣？

電解水制氫嚴重依賴潔凈水資源。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(qū)，有7.33億人生活在高度或嚴重缺水地區(qū)。電廠、農業(yè)和其他工業(yè)存在大量的水資源需求，也與飲用水資源形成一定競爭關系。

雖然水處理裝置可部分緩解上述問題，但可再生能源和淡水供應之間的地理位置極不匹配，額外的凈化流程也增加了電解水制氫的難度和成本。

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(qū)，但往往也是水資源極度短缺的地區(qū)。以地表或者地下水為原料制氫，將會進一步加劇水資源的短缺，潛在風險很大。

將空氣變成氫氣

來自澳大利亞墨爾本大學、中國科學院贛江創(chuàng)新研究院和英國曼徹斯特大學的研究人員提供了一種可以克服上述問題的方法，設計并驗證了一種生產氫氣但不消耗淡水的設備。這項被稱為“直接空氣電解槽”（DAE）的技術最近發(fā)表在《自然·通訊》上，其工作原理是直接從空氣中吸收水，再通過可再生電能電解水，生產氫氣。這是目前已知的第一項可以直接從空氣中生產高純氫氣的報道。

網頁截圖

墨爾本大學Kevin Gang Li博士表示，這個想法是考慮如何在供水困難地區(qū)生產氫氣時產生的?！坝腥苏J為，一個沒有淡水的地區(qū)并不適合生產氫氣，但其實空氣中有大量的水。即使是位于澳大利亞中部沙漠中的愛麗絲泉 (Alice Springs)，相對濕度大約也有20%，這對于我們利用可再生能源生產氫氣來說綽綽有余。”

DAE與其他電解槽一樣由金屬板電極組成，但其核心在于金屬板之間的多孔介質，其中充滿了吸水性的離子溶液，可以自發(fā)吸收空氣中的水分。

“這類物質很簡單，它喜歡從空氣中捕獲水分子。這項發(fā)明的核心就是捕獲空氣中的水分子，并將它們變成用于電解的水原料。”李博士與博士生郭繼寧等研究人員表示，“如果把這個裝置放在空氣中，它就可以產生氫氣，這就是為什么我們叫它'直接空氣電解槽’?！?/p>

空氣制氫路線圖 | 墨大知識產權辦公室

消除綠氫生產的障礙

從空氣中直接生產氫氣的技術，使制氫與淡水資源脫鉤，開辟綠氫生產的新通道，也將帶來一系列的經濟和環(huán)境效益。

通過結合太陽能及其他可再生能源，DAE技術可以讓某些高碳排放行業(yè)實現零碳化，也能為沒有穩(wěn)定電力供應的偏遠地區(qū)提供清潔氫能，此外還可以與現有系統整合，以促進綠氫生產和輸送。例如，DAE制備的綠氫可以混入現有的天然氣管網中輸送，解決太陽能農場電力過剩的同時，也解決其他地區(qū)局部電力緊張的問題。

偏遠地區(qū)的居民可以在白天使用可再生電能，而DAE可以將多余的電能轉化為氫氣儲存起來，缺電時再重新轉化成為電能，實現持續(xù)的電力供應，降低甚至消除對化石燃料的依賴。李博士說：“如果未來要發(fā)展氫氣經濟，為偏遠社區(qū)或干旱半干旱地區(qū)提供就地生產氫氣的技術具有重大意義。很多地方實際上都沒有足夠的淡水供應，保障這些地區(qū)有足夠的綠氫供應也至關重要。'

DAE技術原理圖 | 參考文獻[2]

一個由可持續(xù)能源驅動的

氫氣生產的新方向

這項DAE技術，目的并不是取代傳統制氫工藝，而是成為一個完美的補充，當淡水資源豐富且價格便宜時，傳統制氫工藝仍具有優(yōu)勢。經過兩年半的研發(fā)和實驗室論證之后，團隊成員認為，該裝置在技術和工藝上都易于轉化并與可再生能源結合，可以在相對濕度低至4%的情況下連續(xù)產生高純度的氫氣，且維護成本很低?；谠揇AE技術，可以在地球上任何地方生產綠氫，潛在的應用價值巨大。

現階段，該技術已經完成專利布局和實驗室論證，下一步是放大制氫規(guī)模、在不同地理和氣候條件下進行測試，以了解其適應能力和工作性能?！拔覀冋跀U大DAE的規(guī)?！獜奈鍖佣询B到1平方米、10平方米，以此類推。盡管可以在實驗室里模擬干燥的氣候，但那畢竟不是真正的沙漠。因此我們想把它帶到愛麗斯泉，花幾個星期的時間，看看情況如何?！痹诖酥?，其商業(yè)化前最后階段的重點將是能源的整合、存儲和供應。

DAE樣機實物圖 | 團隊供圖

參考文獻

[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:///10.1038/s41467-022-32652-y