水分解成氫和氧用來替代傳統(tǒng)的化石燃料。但是從純凈水中獲取，就有些得不償失了，純凈的水資源是一種非常珍貴的資源。在舊金山灣，斯坦福大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種利用太陽能、電極和鹽水來制取氫燃料的方法。
這一研究發(fā)表在3.18日的《美國科學(xué)院學(xué)報》上。展示了一種通過使用電從海水中分離氫氣和氧氣的新方法?，F(xiàn)存的分離水的方法依賴于高純度的水，而高純度的水使得成產(chǎn)成本變的高昂。從理論上來說，為了給城市和汽車提供動力，“你如要如此多的氫，如果只靠使用純凈水的資源，這樣消耗的量巨大的不可想象。”“我們在加利福尼亞州，幾乎沒有足夠的純凈水來滿足的我們目前的需求。”斯坦福大學(xué)人文科學(xué)院化學(xué)教授、該論文的合著者C.J伍德和J.G.杰克遜說道。
戴宏杰說，氫是一種很吸引人的燃料，因?yàn)樗慌欧哦趸?。燃燒氫只會生產(chǎn)水，而且會會緩解日益惡化的氣候變化問題。他的實(shí)驗(yàn)室通過演示展示了概念的驗(yàn)證，研究人員將會把它留給制造商進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
戴宏杰和他在斯坦福大學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種可以從海水中產(chǎn)生氫燃料的原型。(圖片來源：由H. Dai，Yun Kuang，Michael Kenney提供)
解決腐蝕問題
使用電將水分解成氫和氧被稱為電解，這是一個簡單而古老的想法：一個電源連接放置在水中的兩個電極上。當(dāng)電源接通時，氫氣從負(fù)極(稱為陰極)中冒出，然后可供人呼吸的氧氣從正極(即陽極)冒出。但是海水中帶負(fù)電荷的氯化物會腐蝕正極(陽極)，從而會降低系統(tǒng)的使用壽命。戴宏杰和它的團(tuán)隊(duì)希望找出一種方法來阻止海水中的這些成分破壞正極(陽極)。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果他們在陽極上涂上一層充滿負(fù)電荷的涂層，這些涂層排斥氯化物，并會減緩底層金屬的衰變。
他們將鎳鐵氫氧化物層在硫化鎳的頂部，覆蓋鎳泡沫芯。鎳泡沫起到導(dǎo)體的作用——從電源傳輸電能，氫氧化鎳引發(fā)電解，將水分解為氧和氫。在電解過程中，硫化鎳演變成一個負(fù)電荷層，保護(hù)陽極。正像兩塊磁鐵的負(fù)極互相推動一樣，帶負(fù)電荷的層排斥氯化物并阻止它到達(dá)核心金屬。
根據(jù)戴宏杰實(shí)驗(yàn)室的研究生、論文的合著者邁克爾·肯尼(MichaelKenney)的說法，如果沒有帶負(fù)電荷的涂層，陽極只能在海水中工作12小時左右。“整個電極都碎裂了，”肯尼說。“但是有了這層，它可以運(yùn)行一千多個小時。”
先前的研究試圖將海水分解成氫燃料，但由于腐蝕發(fā)生在更高的電流下，所以其產(chǎn)生的電流都很小。但是戴宏杰，肯尼和他們的同事們能夠通過他們的多層裝置傳導(dǎo)10倍的電能，這有助于它以更快的速度從海水中產(chǎn)生氫氣。
“我認(rèn)為我們創(chuàng)下了分離海水的記錄。”戴宏杰說。小組成員在可控的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了大部分測試，在那里他們可以調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的電量。他們還設(shè)計了一個太陽能演示機(jī)，使用舊金山灣收集的海水中產(chǎn)生氫氣和氧氣。而且，在沒有鹽腐蝕風(fēng)險的情況下，該設(shè)備與目前使用純凈水的技術(shù)相匹配?？夏嵴f：“這項(xiàng)研究令人印象深刻的是，我們能夠在與當(dāng)今工業(yè)所用電流相同的電流下工作。”
出乎意料的簡單
回首過去，戴宏杰和肯尼可以看到他們設(shè)計的如此簡單易行。戴秉國說：“如果我們?nèi)昵坝幸粋€水晶球，它將在一個月內(nèi)完成。”但是，既然已經(jīng)找到了用海水電解的基本配方，這種新方法將為提高太陽能或風(fēng)能驅(qū)動的氫燃料的可用性打開大門。
在未來，這項(xiàng)技術(shù)可以用于發(fā)電以外的用途。由于這個過程也會產(chǎn)生可呼吸的氧氣，潛水員或潛水艇可以把設(shè)備帶到海洋中，在不需要浮出水面換氣的情況下，在海底產(chǎn)生氧氣。在技術(shù)轉(zhuǎn)讓方面，“人們可以在現(xiàn)有的電解槽系統(tǒng)中使用這些元素，而且速度非?？?，”戴宏杰說。“這不像從零開始——更像從80%或90%開始。其他合著者包括北京化工大學(xué)的客座科學(xué)家云匡和山東科技大學(xué)的孟永濤。其他作者包括魏宣洪、劉一金、黃建安、普拉桑納和麥蓋希。
這項(xiàng)工作由美國能源部、國家科學(xué)基金會、國家科學(xué)基金會和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助。
