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新技术可从水中获得纯净氢气

2019-10-08 23:19:44来源:励志吧0次阅读

随着全球气温变暖逐步呈现加速态势,人们越发关注起新能源来。作为一种极具潜力的新能源,氢能受到重视:氢能燃烧后生成产物只有水,没有任何二次污染。

如今,多数氢气来自化石燃料,这会导致如同二氧化碳等副产品排放。电解水技术则能有效规避温室气体生成,彻底做到可再生、无污染。

目前最广为好评的氢气生产技术是PEMEs(质子交换膜电解槽,protonexchangemembraneelectrolyzers)技术。这种高分子分离膜适用于各类充电解决方案,质子运动令正负电荷分离:阴极带有负电荷,阳极带有正电荷,电极上分别生成氢气和氧气。两种单质被高分子分离膜相隔绝,这样一来使得纯净氢气可以大量生产。

但别高兴得太早——由于贵金属催化剂的参与,PEMEs技术过于昂贵。虽说较高的电力负荷能在一定程度上抵消这种催化剂成本,但,电力负荷过高以后,氢、氧与催化颗粒会催生出活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS),继而降低高分子分离膜的产能。

若是降低电力负荷,氢气氧气生成速率会和它们扩散通过高分子分离膜的速率相接近,这样一来效率也随之降低。无法得到纯净的氢气也算了,这样得到的氢氧混合气体非常危险,会导致燃烧甚至是爆炸。

好消息是,就在最近,研究人员已寻找到一条新路子,不仅减少了氢氧的混合,更有效提升了贵金属催化剂的效率。

这项技术名为“电子耦合质子缓冲(electron-coupledprotonbuffer,ECPB)”,可以在单独的隔间各自生成氢气和氧气。他们引入某种化学物质,该物质在失去两个电子的同时,从电极获得两个质子。紧接着,化学物质被输送到单独的隔间,以氧化剂的角色进行氧化还原反应并获得两个电子,继而生成单质氢。(氢气分子由两枚氢原子组成,包含两枚质子和两枚电子。)

这种分开隔间的方法有如下优势:它使得在常压下生产的氢效率增加,同时减少电解池中氢气生成量,总体上将氧气生成量降到最低,乃至减少了高分子分离膜的折耗。

这种神奇的化学介质叫做硅钨酸(H4[SiW12O40])。水分子在阳极分解为氧原子核与氢原子核(即质子),质子停留在溶液中向阴极移动,电子与质子通过硅钨酸介质进入到隔间,在隔间中接受氧化,最终生成氢气分子。

研究人员已试验在密闭电解池内用硅钨酸介质搭载氢气,阳极使用含铂或碳的材料,阴极使用碳材料。介质还可在密封反应瓶以简化形式运作,金属箔可以催化析氢。

比起目前的高分子分离膜系统,碳基贵金属催化剂的最大产氢率大了30倍。此外,通过比较能量的输出和输入测定了介导的电化学过程效率,发现比起缺少介质时候高了16%。总体上比当前的高分子分离膜效率高了63%。而在经过九轮循环后,介质仍保持稳定。这些结论综合起来,可以得出:无论在成本上抑或是效益上,新系统比起现有的PEMEs更有优势。以及,这一系统生成氢气的纯度高,氢气样品中的氧气含量也低于检出限。

更有甚者,人们故意将10%的氧气引入到隔间后,氧气也会彻底消失——与减少的介质反应,生成水与再氧化介质。

可见,该系统不仅经济,更提升了反应过程的安全性,氢氧混合气体再也不会生成,避免酿成惨剧。

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