研究人员设计了将海水转化为氢燃料的新系统

海水由氢、氧、钠和其他元素混合而成，对地球上的生命至关重要。但同样复杂的化学成分使得提取氢气用于清洁能源变得困难。

现在，能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员与俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的合作者已经找到了一种方法，通过将海水输送到双膜系统和电力中，将氢气从海洋中取出。事实证明，他们的创新设计成功地产生了氢气，而不会产生大量的有害副产品。他们的研究结果今天发表在焦耳上，可能有助于推进生产低碳燃料的努力。

“如今，许多水制氢系统都尝试使用单层或单层膜。我们的研究将两层结合在一起，“SLAC-斯坦福联合研究所SUNCAT界面科学与催化中心的副科学家Adam Nielander说。“这些膜结构使我们能够控制海水中离子在实验中的移动方式。

氢气是一种低碳燃料，目前以多种方式使用，例如运行燃料电池电动汽车，以及作为长期储能选择，适合将能量储存数周、数月或更长时间用于电网。

许多制造氢气的尝试都是从淡水或淡化水开始的，但这些方法可能既昂贵又耗能。处理过的水更容易使用，因为它漂浮的物质(化学元素或分子)较少。然而，研究人员说，净化水是昂贵的，需要能源，并增加了设备的复杂性。他们说，另一种选择是天然淡水，除了是地球上更有限的资源外，还含有许多对现代技术有问题的杂质。

为了处理海水，该团队实施了一种双极(两层)膜系统，并使用电解对其进行了测试，电解是一种使用电力驱动离子或带电元素以运行所需反应的方法。他们通过控制对海水系统最有害的元素 - 氯化物 - 开始他们的设计 - SLAC和斯坦福大学博士后研究员Joseph Perryman说。

“海水中有许多反应性物质可以干扰水到氢的反应，而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一，”佩里曼说。“特别是，到达阳极并氧化的氯化物会缩短电解系统的使用寿命，并且由于包括分子氯和漂白剂在内的氧化产物的毒性，实际上会变得不安全。

实验中的双极膜允许进入制造氢气所需的条件，并减轻氯化物进入反应中心。

“我们基本上正在加倍努力阻止这种氯化物反应，”佩里曼说。

氢的故乡

理想的膜系统具有三个主要功能：它将氢气和氧气从海水中分离出来;帮助仅移动有用的氢和氢氧根离子，同时限制其他海水离子;并有助于防止不良反应。将这三个功能结合在一起是很困难的，该团队的研究目标是探索能够有效地结合所有这三个需求的系统。

特别是在他们的实验中，质子，即正氢离子，通过其中一个膜层到达可以收集它们并通过与带负电的电极(阴极)相互作用转化为氢气的地方。系统中的第二层膜只允许负离子(如氯化物)通过。

作为额外的后盾，一个膜层包含固定在膜上的带负电的基团，这使得其他带负电荷的离子(如氯化物)更难移动到不应该存在的地方，斯坦福大学化学工程研究生Daniela Marin说。在团队的实验中，带负电荷的膜被证明在阻断几乎所有氯离子方面非常有效，他们的系统运行不会产生漂白剂和氯等有毒副产物。

研究人员说，除了设计海水制氢膜系统外，该研究还更好地了解了海水离子如何通过膜。这些知识可以帮助科学家为其他应用设计更坚固的膜，例如产生氧气。

“人们对使用电解产生氧气也有一些兴趣，”马林说。“了解我们双极膜系统中的离子流动和转换对于这项工作也至关重要。除了在我们的实验中产生氢气外，我们还展示了如何使用双极膜产生氧气。

接下来，该团队计划通过用更丰富且易于开采的材料来改进他们的电极和膜。该团队表示，这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动(如运输部门)生产氢气所需的规模。

研究人员还希望将他们的电解池带到SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)，在那里他们可以使用该设施的强X射线研究催化剂和膜的原子结构。

“绿色氢技术的未来是光明的，”SLAC和斯坦福大学教授兼SUNCAT主任Thomas Jaramillo说。“我们获得的基本见解是未来创新的关键，以提高该技术的性能，耐用性和可扩展性。