澳洲制氢新技术：直接电解天然海水产出可燃氢

澳洲成功在不预先处理海水和使用贵金属电极的情况下，直接让海水电解成可燃氢。图为德国的弗劳恩霍夫材料与系统微结构研究所电解制氢平台。（Jens Schlueter / AFP）

随着全世界净零碳排的风潮，清洁能源“氢气”成为一项优先选择。澳洲一所大学成功在不预先处理海水和使用贵金属电极的情况下，直接电解海水生成可燃烧的氢气，且过程没有沉淀物产生。

澳洲最古老的大学之一阿德莱德大学（University of Adelaide）研究团队发展出新技术，让海水不需要脱盐、净化、碱化和使用贵金属的情况下，分解出可燃烧的“氢气”。该团队的研究成果在1月底被发表到《自然》科学杂志上。

研究人员让多氧化钴（CoOx）附着在碳纤维上，使其成为海水的阳极和阴极，并测试多氧化钴在碱化海水（含1.0 M KOH）和的天然海水中表现，发现多氧化钴在碱化海水中拥有更高的电流密度，在1.81V电压中，提供100 mA /cm2的电流密度。

另外，多氧化钴在碱化海水中的电流密度表现也比使用两款贵金属电极更佳。这两款电极分别是“镍钼（NiMo）和含铁的羟基氧化镍（NiOOH）”、“铂/碳（Pt/C）二氧化钌（RuO2）”。

不过科学家发现，多氧化钴在碱化海水电解100小时后，电流损失47%，而在无添加的天然海水中，使用50小时后电流密度会降至零。经研究发现，这种衰减来自于海水中的氯离子和沉淀物对电极的腐蚀。

为了降低多氧化钴电流衰减，他们将多氧化钴表面涂上一层三氧化铬（Cr2O3）。结果显示，这样的电极能够电解海水长达200小时以上，而且过程中电流几乎不衰减。实验中，他们并未将海水碱化或酸化，只是过滤里面的固体和微生物。

这种电极周围会生成大量的氢氧根离子（羟基阴离子，OH -），从而抑制了海水中的氯离子（Cl-）附着和腐蚀电极。若只使用多氧化钴，则会观察到许多氯离子附着，从而腐蚀或氧化电极表面。

此外，氢氧根离子也会让电极附近碱性化，而氢氧根离子会与海水中的碳酸氢盐（HCO3-）形成水和碳酸根离子（CO3 2-），进而防止海水过碱，同时也避免了氢氧根离子与海水中的镁离子和钙离子等阳离子结合、形成氢氧化镁和氢氧化钙等沉淀物。

最终他们测试了这种电极大规模制造氢气活动的稳定性。在大规模电解过程中，科学家并未对海水进行净化、脱盐和添加强碱，发现能依照上面的实验理论正常运行超过100小时，且产出的氧气和氢气纯度高达90%左右，电解过程几乎没有氯气和氢氧化物副产物。

科学家认为，这项结果相当有商业竞争力。阿德莱德大学乔世章（Shizhang Qiao）教授对阿德莱德大学新闻社表示，“我们在商用电解槽中使用非贵金属且廉价的催化剂，将天然海水以近100%的效率分解成氧气和氢气。”

化学工程学院郑遥（Yao Zheng）副教授接着表示，“若用我们的方法，就能在商业电解槽中分解海水，而分解海水产出的氢气纯度，接近于那些使用铂/铱贵金属电解水产出的氢气纯度。”

郑副教授说：“现在正在寻找替代化石燃料的能源，对氢气的需求增加。以前是利用淡水电解生成氢，但淡水资源是有限的。”对于靠近海岸的地区来说，海水几乎是一种取之不竭的资源，同时又拥有大量天然的原料电解质。

他补充道，“过往脱盐和去离子的传统电解槽，都需要事先将不纯水处理到一定纯净程度，但这些会增加运行和维护成本。现在我们则提供一种无需加碱和预先处理就能直接利用海水的解决方案。”