作者:Tess Ritchie 来源:《自然-通讯》 发布时间:2022/9/9 22:36:50
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空气制氢:未来绿氢能源的解决方案  

 

2022年9月6日,来自澳大利亚墨尔本大学的Kevin Gang Li(李刚)、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和他们共同指导的博士研究生郭继宁等人在Nature Communications期刊上发表了一篇题为“Hydrogen production from the air”的新研究。课题组开发了一种从空气中生产氢气的方法,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。

背景介绍

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的二氧化碳排放,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的“储存”媒介,因此它可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。

要淡水还是要氢气?

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。

图1:淡水供应与太阳能(a)和风能(b)之间的矛盾

将空气变成氢气

来自于墨尔本大学和曼彻斯特大学的研究人员提供一种可以克服上述问题的方法,设计并验证了一种可以不消耗淡水而生产氢气的设备。这项技术最近发表在《自然通讯》上,被称为空气电解槽(DAE),其工作原理是直接从空气中吸收水,然后再通过可再生电能电解水生产氢气。

墨尔本大学首席研究员Kevin Gang Li(李刚)博士是化学工程专业的高级讲师,他说这个想法是在考虑在供水困难地区生产氢气时产生的。“有人认为一个没有地下水的地区并不适合生产氢气。但其实空气中拥有大量的水。即使是位于澳大利亚中部沙漠中的爱丽丝泉(Alice Springs),也有大约20%的相对湿度。这对于我们利用可再生能源生产氢气来说绰绰有余。”

李博士与博士生郭继宁等研究人员一起研究的DAE与其他电解槽一样,由金属板电极组成,为水的分解过程提供能量(来自可再生能源)。但其核心在于金属板之间的多孔介质,里面充满了吸水性的离子溶液——一种可以自发吸收空气中水分的化学物质。“这类物质很简单,它喜欢从空气中捕获水分子。当水分子从空气中捕捉下来,它们就变成了可以进行电解的水原料。这就是这项发明的核心。如果你把这个装置暴露在空气中,它可以产生氢气。这就是为什么我们叫它直接空气电解槽。你用空气作为设备的进料,而不是像目前电解槽那样使用液态水。”这是我们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。

图2:空气制氢路线图

消除绿氢生产的障碍

通过实现从空气中直接生产氢气,该技术使制氢与淡水资源脱钩,开辟绿氢制造的新通道,将带来一系列的经济和环境效益。对于高碳排放的行业,如冶金等,DAE可以通过将该技术与太阳能或其他可再生能源相结合,为其提供稳定的可再生能源供给以实现零碳化。通过利用再生能源,DAE技术还可以在没有稳定电力供应的偏远地区独立使用,提供清洁氢能。此外该技术还可以与现有系统进行整合,以促进绿氢生产和输送。例如,在现有的天然气管网中,DAE制备的绿氢可以混入天然气进行输送,解决太阳能农场电力过剩的问题,并将绿氢出口到所需地区。

李博士说:“如果我们要发展基于氢气的经济,为偏远社区或那些干旱或半干旱地区提供当地生产氢气的方法,是重中之重。我认为此项技术对解决该问题具有重大意义。地球上很大一部分地区实际上没有足够的淡水供应,而保障这些地区有足够的绿氢供应也至关重要。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并储存起来,缺电时再重新将氢气转化成为电能,从而实现持续的电力供应,消除对化石燃料的依赖。“

图3:DAE技术原理图

一个由可持续能源驱动的氢气生产的新方向

这项DAE技术的目的并不是取代传统制氢工艺,而是一个对其完美的补充。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。"我们正在扩大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。尽管我们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,使其在成为商业产品之前最后阶段的重点将是能源整合、存储和供应。

DAE技术的升级已经吸引了全球顶级风险资本的投资。这项技术离现实到底有多接近,还有待观望。但是该技术提供了一种成本低、简单的解决方案来生产绿氢,进而该技术有望在不消耗有限的淡水资源的前提下克服绿氢生产经济性差的问题。

图4:DAE样机实物图

(来源:科学网 Tess Ritchie 郭继宁)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32652-y

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

 
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