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美科学家团队创新双膜系统,有望实现低成本海水制氢

发布日期:2023/5/31



      海水中的各种元素,包括氢气、氧气、钠和其他元素对地球上的生命来说是必不可少的。然而,当试图为可持续能源应用分离氢气时,这种错综复杂的化学构成构成了一个挑战。最近,来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的一个科学家团队发现了一种从海洋中提取氢气的方法。他们通过将海水输送到一个双膜系统和电力来完成这一任务。


      他们的创新设计被证明成功地产生了氢气,而同时没有产生大量的有害副产品。他们的研究结果最近发表在《焦耳》杂志上,可以帮助推进生产低碳燃料的努力。


     "今天许多水变氢系统试图使用单层或单层膜。我们的研究将两层膜结合在一起,"SLAC-斯坦福联合研究所SUNCAT界面科学和催化中心的副研究员Adam Nielander说。"这些膜结构使我们能够在实验中控制海水中离子的移动方式。"


      氢气是一种低碳燃料,目前被用于许多方面,例如运行燃料电池电动汽车,以及作为一种长期的能源储存选择--一种适合储存几周、几个月或更长的能源,可用于电网。


      许多制造氢气的尝试从淡化水开始,但这些方法可能是昂贵的,而且是能源密集型的。处理过的水更容易操作,因为它有更少的化学元素漂浮在周围。然而,研究人员说,净化水过程是昂贵的,需要大量能源并增加了设备的复杂性。另一种选择,即天然淡水也包含一些对现代技术来说有问题的杂质,此外,它还是地球上一种比较有限的资源。


      为了使用海水,该团队实施了一个双极或两层的膜系统,并使用电解进行测试,这是一种利用电力驱动离子或带电元素来运行所需反应的方法。SLAC和斯坦福大学的博士后研究员Joseph Perryman说,他们的设计从控制对海水系统最有害的元素--氯化物开始。


      Perryman说:"海水中有许多活性物种可以干扰水到氢气的反应,而使海水变咸的氯化钠是主要的罪魁祸首之一。特别是,到达阳极并氧化的氯化物将减少电解系统的寿命,并且由于氧化产物的毒性,包括分子氯和漂白剂,实际上可能变得不安全。"


     实验中的双极膜允许进入制造氢气所需的条件,并减轻氯气进入反应中心的影响。


     理想的膜系统将执行三个主要功能:从海水中分离氢气和氧气;只帮助移动有用的氢气和氢氧根离子,同时限制其他海水离子;以及帮助防止不希望发生的反应。把这三者结合起来是很难的,该团队的研究目标是探索能够有效结合这三种需求的系统。


      具体到他们的实验中,质子,也就是正氢离子,通过其中一个膜层到达一个地方,在那里它们可以被收集,并通过与一个带负电的电极相互作用变成氢气。系统中的第二层膜只允许负离子,如氯化物,通过。


      斯坦福大学化学工程系研究生和共同作者Daniela Marin说,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,这使得其他带负电的离子,如氯化物,更难移动到它们不应该去的地方。事实证明,在该团队的实验中,带负电荷的膜能高效地阻挡几乎所有的氯离子,而且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯气等有毒副产品。


      研究人员说,除了设计一个海水到氢气的膜系统外,这项研究还提供了一个关于海水离子如何通过膜移动的更好的一般理解。这些知识可以帮助科学家为其他应用设计更强大的膜,例如生产氧气。


     "对于使用电解法生产氧气也有一些兴趣,"Marin说。"了解我们的双极膜系统中的离子流和转换对于这项工作也是至关重要的。在我们的实验中生产氢气的同时,我们还展示了如何使用双极膜来产生氧气。"


      接下来,该团队计划通过使用更丰富和更容易开采的材料来改进他们的电极和膜。该团队说,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(如交通部门)产生氢气所需的规模。


      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),在那里他们可以利用该设施的强烈X射线研究催化剂和膜的原子结构。


     "绿色氢气技术的前景是光明的,"SLAC和斯坦福大学教授兼SUNCAT主任Thomas Jaramillo说。"我们正在获得的基本见解是为未来创新提供信息的关键,以提高该技术的性能、耐久性和可扩展性。"



来源:今日头条


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