氫是宇宙中最豐富的元素，但氫在地球上主要存在于水等化合物中。氫氣也是地球上最清潔的能源之一，因?yàn)樗紵罱K只產(chǎn)生水。

氫具有能量密度高、容量大等特點(diǎn)，成為新能源大規(guī)模開發(fā)儲(chǔ)存、利用的優(yōu)選方案之一。

目前，制取氫氣較為普遍的方法是電解水制氫。在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。但電解槽的部署在地理上受到淡水可用性的限制。

淡水是一種稀缺資源，超過(guò)三分之一的地球陸地表面處于干旱或半干旱狀態(tài)，支撐著世界 20% 的人口，那里的淡水極其難以維持日常生活，更不用說(shuō)電解了。同時(shí)，污染、工業(yè)消耗和全球變暖加劇了水資源短缺。海水淡化可用于促進(jìn)沿海地區(qū)的水電解，但大大增加了制氫的成本和復(fù)雜性。

近日，來(lái)自中國(guó)和澳大利大的研究人員使用吸濕性電解質(zhì)吸收空氣中的水分，然后利用來(lái)自太陽(yáng)或風(fēng)的能量為電解提供動(dòng)力。該研究結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

1

電解空氣中冷凝水蒸氣

科學(xué)家們制備了一種名為直接空氣電解 (DAE) 模塊，可以在相對(duì)濕度為 4% 的極干燥環(huán)境下工作，克服供水問(wèn)題，可持續(xù)生產(chǎn)綠色氫氣，并且對(duì)環(huán)境的影響最小。

這種模塊對(duì)于世界上純凈飲用水稀缺或很難獲得的地區(qū)至關(guān)重要。

該模塊由中間的集水單元和兩側(cè)的電極與氣體收集器組成。該模塊由可再生能源提供電力，例如太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)和任何其他可再生發(fā)電機(jī)。

重要的是，集水單元還用作儲(chǔ)存電解質(zhì)的容器。將三聚氰胺海綿、燒結(jié)玻璃泡沫等多孔介質(zhì)浸入具有潮解性的離子物質(zhì)結(jié)合，通過(guò)暴露的表面吸收空氣中的水分。

捕獲的水通過(guò)擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到電極表面（兩個(gè)電極都與空氣隔絕），隨后分裂成氫氣和氧氣，將作為純氣體單獨(dú)收集。兩端板和多孔泡沫之間的儲(chǔ)存器也可以在空氣濕度過(guò)度波動(dòng)的情況下充當(dāng)空氣屏障和離子溶液體積的緩沖劑。

多孔介質(zhì)還確保電解質(zhì)在泡沫毛細(xì)管中的自由運(yùn)動(dòng)，充滿離子溶液的泡沫形成物理屏障，可有效地將氫氣、氧氣和空氣與任何混合隔離開來(lái)。

來(lái)源：[1]

與水具有強(qiáng)親和力的吸濕性物質(zhì)在暴露時(shí)傾向于從大氣中提取水分，吸收足夠的水以形成具有吸濕性的水溶液。研究員證實(shí)硫酸為最好的吸濕材料之一，它可以從相對(duì)濕度5%或以下的空氣中吸收水分，同時(shí)硫酸溶液的電導(dǎo)率高，不易揮發(fā)，對(duì)環(huán)境無(wú)毒。

在連續(xù)電解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)DAE模塊是穩(wěn)定的。研究表示，在特定電壓（2.4、2.7、3.0 V）下收集的相應(yīng)電流密度在12天的連續(xù)運(yùn)行中，法拉第效率穩(wěn)定在 95%，能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該結(jié)果表明DAE模塊在不同空氣相對(duì)濕度、電池電壓和電解質(zhì)濃度下具有出色的適應(yīng)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。它們的電流密度為每平方厘米574毫安。 

2

戶外測(cè)試依然穩(wěn)定

科學(xué)家設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)獨(dú)立的制氫塔，在炎熱干燥夏季（地中海氣候）的露天進(jìn)行了兩天，每天 8 小時(shí)的測(cè)試。

它由五個(gè)平行堆疊的DAE模塊組成，垂直疊加一個(gè)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一是塔的占地面積不超過(guò)太陽(yáng)能電池板，這意味著DAE不會(huì)占用額外的土地。

在測(cè)試期間，室外溫度在 20°C 到 40°C 之間變化，相對(duì)濕度在20%到40%之間。

圖說(shuō)：直接空氣電解模塊測(cè)試原型

來(lái)源：[1]

綜合來(lái)看，在非理想天氣條件下，總產(chǎn)氫量仍能達(dá)到1188毫升。

并且，這種DAE模塊的能源供應(yīng)不僅限于太陽(yáng)能，還能將 DAE 模塊與風(fēng)機(jī)耦合，并成功地從空氣進(jìn)料中生產(chǎn)出高純度氫氣。

研究人員表示，這種DAE可能是第一個(gè)超過(guò)美國(guó)能源部 (DOE) 設(shè)定的20%太陽(yáng)能制氫 (STH) 能源效率目標(biāo)的技術(shù)。

3

應(yīng)用范圍廣闊

目前這項(xiàng)技術(shù)僅在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，還未商業(yè)化。不過(guò)研究人員表示，DAE 模塊可以輕松擴(kuò)展以向偏遠(yuǎn)、（半）干旱和分散的地區(qū)提供氫氣。

電解空氣中冷凝水蒸氣技術(shù)顯示出巨大的潛力，并且與其他能源相比有許多優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)世界能源經(jīng)濟(jì)中氫所占的比重被認(rèn)為可能會(huì)越來(lái)越大。氫能在電力領(lǐng)域可用于分布式發(fā)電、備用電源、家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等，從而降低能源耗費(fèi)、改善能源利用率；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域可為燃料電池汽車、重型工程機(jī)械、船舶行業(yè)提供原料。

通過(guò)DAE技術(shù)，炎熱、干旱的地區(qū)也能成為氫能源出口地。這類項(xiàng)目可能需要在支持基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行大量資本投資，對(duì)于其他有水的地區(qū)而言可能不太劃算。

為加速全球能源變革進(jìn)程，可再生能源制氫是堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展道路的必然選擇。隨著全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈重要核心技術(shù)的日趨成熟與完善、成本不斷降低，氫能輸送管網(wǎng)和加氫站等全國(guó)性氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)顯著提速，綠色制氫技術(shù)依靠綠色低碳為指導(dǎo)方針，緊扣碳達(dá)峰、碳中和主題，勢(shì)必會(huì)在未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占據(jù)重要份額。

-------

參考資料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y

[2]https://interestingengineering.com/science/green-hydrogen-from-thin-air

[3]李亮榮,彭建,付兵,黃玉林,姜慧,齊海霞.碳中和愿景下綠色制氫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2022,43(06):508-520.DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0183.

（來(lái)源：環(huán)球零碳）