來自澳大利亞墨爾本大學的Kevin Gang Li、中國科學院贛江創新研究院胡國平、英國曼徹斯特大學範曉雷和他們共同指導的博士研究生郭繼甯等人開發了一種從空氣中生産氫氣的方法，使得氫氣生産與淡水資源脫鈎，為未來碳中和提供了一個新方向。

氫氣，尤其是利用可再生能源從水得到氫（綠氫），被普遍認為是一種終極清潔能源。化石燃料燃燒會造成大量得二氧化碳排放，從而導緻溫室效應和全球氣候變暖。而氫氣燃燒并不會釋放二氧化碳或任何其他溫室氣體。綠氫則更進一步，在生産氫氣的過程中僅使用水和可再生的清潔能源。綠氫通常是通過電解水制得的，即，利用電能将水分解成氫氣和氧氣。而電則可來源于可再生能源，如太陽能、風能、地熱能或者潮汐能等。由于氫氣可作為可再生能源的“儲存”媒介，它可以通過燃料電池等方式進一步轉化回電能以保障清潔能源持續供給。對于低碳經濟而言，綠氫必不可少。

要淡水還是要氫氣？

電解水制氫嚴重依賴潔淨水資源。然而，據聯合國水資源組織報道，全球有23億人生活在水資源緊張的國家和地區，其中7.33億人生活在高度或嚴重缺水地區（聯合國水資源組織，2021）。目前，電廠、農業和其他工業需要大量的水資源以滿足其生産需求，并且與人類賴以生存的飲用水資源形成了一定的競争關系。雖然水處理裝置可在一定程度上緩解上述問題，但額外的淨化流程無疑增加了電解水制氫的複雜性和成本，為其可行性帶來了極大挑戰。此外，可再生能源和淡水供應之間的地理位置極不匹配。

具體來講，生産綠氫的理想地點是太陽能和風能豐富的地區，包括中亞、西亞、印度的大部分地區、北非、北美西部和澳大利亞的大部分地區，同時這些地區往往也是水資源極度短缺的地區，導緻飲用水與工業用水之間的競争關系。因此，将地表或者地下水作為原料用于制氫将會進一步加劇水資源的短缺，進而引發水資源危機。此外，綠氫經濟也将加劇全球淡水短缺的風險。

圖1. 淡水供應與太陽能（a）和風能（b）之間的矛盾

将空氣變成氫氣

來自于墨爾本大學和曼徹斯特大學的研究人員提供一種可以克服上述問題的方法，設計并驗證了一種可以不消耗淡水而生産氫氣的設備。這項技術最近發表在《自然•通訊》上，被稱為空氣電解器（DAE），其工作原理是直接從空氣中吸收水，然後再通過可再生電能電解水生産氫氣。

DAE與其他電解器一樣，由金屬闆電極組成，為水的分解過程提供能量（來自可再生能源）。但其核心在于金屬闆之間的多孔介質，裡面充滿了吸水性的離子溶液——一種可以自發吸收空氣中水分的化學物質。這類物質很簡單，它喜歡從空氣中捕獲水分子。當水分子從空氣中捕捉下來，它們就變成了可以進行電解的水原料。如果将本裝置暴露在空氣中，它可以直接生産氫氣。這就是為什麼我們叫它直接空氣電解器。

圖2. 空氣制氫路線圖

消除綠氫生産的障礙

通過實現從空氣中直接生産氫氣，該技術使制氫與淡水資源脫鈎，開辟綠氫制造的新通道，将帶來一系列的經濟和環境效益。對于高碳排放的行業，如冶金等，DAE可以通過将該技術與太陽能或其他可再生能源相結合，為其提供穩定的可再生能源供給以實現零碳化。通過利用再生能源，DAE技術還可以在沒有穩定電力供應的偏遠地區獨立使用，提供清潔氫能。此外該技術還可以與現有系統進行整合，以促進綠氫生産和輸送。例如，在現有的天然氣管網中，DAE制備的綠氫可以混入天然氣進行輸送，解決太陽能農場電力過剩的問題，并将綠氫出口到所需地區。

圖3. DAE技術原理圖

DAE的技術原理論如圖3所示。DAE由中間的集水單元和兩側的電極與氣體收集器組成。DAE可以與任何形式的電源集成，例如太陽能電池闆、風力發電機等。集水單元不僅可以用來吸水， 還可以用作儲存電解液的容器。将三聚氰胺海綿、燒結玻璃泡沫等多孔介質浸入具有潮解性的離子溶液，通過暴露的表面吸收空氣中的水分。同時，液相中捕獲的水通過擴散轉移到電極表面，随後分别在陰極電極和陽極電極分解為氫氣和氧氣。端闆和多孔海綿之間的儲槽可以在空氣濕度變化而導緻離子溶液體積變化時作為緩沖，可有效避免電解液從 DAE中溢出或潤濕的泡沫突然變得幹涸。這種多孔海綿确保電解質在海綿的毛細管中的自由運動的同時，充滿離子溶液的海綿還能形成物理屏障，有效地将生成的氫氣和氧氣與空氣隔離開。

圖4. DAE的性能測試

在對于不同的海綿厚度、海綿孔徑結構以及不同濕度以及電流下的平衡濃度的研究後，研究人員開展了不同濕度下的48小時的穩定性測試。經過最初的小幅波動和連續電解48 小時後，系統的J-V曲線仍保持穩定。對于進一步的實驗室測試，研究人員選擇了40%相對濕度，在15 mA cm-2的條件下對DAE進行了長達12天的穩定性實驗。如圖4e所示，供給DAE的 H2SO4 濃度最初為 55.2 wt%，在前 120 小時内減小到 51.1 wt%。在接下來的 168 小時内，電解質濃度、DAE 的電壓、吸濕的傳質驅動力（ΔC = Cexp[51.1 wt%] - C*[47.7 wt%] = 3.4 wt%）和 H2 法拉第效率（約 95%）均十分穩定。此外，在特定電壓（2.4、2.7、3.0 V）下的相應電流密度在這 12 天的連續運行中也處于穩定狀态（圖4f）。該結果表明 DAE 在不同空氣相對濕度、電壓和電解質濃度下具有極好的适應性和長期穩定性。

圖5. 制氫塔的露天演示（2020.12，澳大利亞墨爾本）

為了進一步展示DAE在實際環境中的工作能力，研究人員設計并建造了一個獨立的制氫樣機（圖5a），它由五個平行堆疊的DAE模塊組成，垂直疊加一個太陽能電池闆進行供電。這種設計的優點之一是塔的占地面積不超過太陽能電池闆，即DAE 不會占用額外的土地。環境測試的地點位于墨爾本大學校園内，天氣為炎熱幹燥的夏季（地中海氣候），時間為期兩天，每天 8 小時。室外溫度在 20 °C 到 40 °C 之間波動，空氣相對濕度在20-40%之間波動。從陰極放出的産物氫氣被收集在倒置的、充滿水的量筒中，并用于檢查氣體生産效率。陽極上産生的氧氣被排放到空氣中。在室外測試過程中，氫氣的法拉第效率平均為 95%。第一天天氣晴朗時，電流輸出穩定在400 mA左右，電壓2.68 V。析氫速率為186 ml h-1，一天的總産氫量為1490 ml，相當于745 L H2 day-1 m-2，或 3.7 m3 H2 day-1（m2 塔）-1。

第二天，陽光保證了9:00-13:00電流輸出穩定在400 mA，平均産氫率約為179 ml h-1，與第一天相近。但在清晨8:00至9:00，太陽強度有限，導緻電流輸出相對較低，為270-370 mA，産氫率為140 ml h-1。在下午（14:00至16:00）天氣轉陰，使太陽能電池闆的電流輸出低至50 mA，因此氫氣的産生率下降到21 ml h-1。綜合來看，在非理想天氣條件下，第二天的總産氫量仍能達到1188 ml。

一個由可持續能源驅動的氫氣生産的新方向

這項DAE技術的目的并不是取代傳統制氫工藝，而是對其的一個完美的補充。當淡水資源豐富且價格便宜時，傳統制氫工藝仍具有優勢。經過兩年半的研發和實驗室論證之後，團隊成員認為該裝置可以容易地進行放大并與可再生能源進行結合，可以在相對濕度低至4%的情況下連續産生高純度的氫氣，這在技術上和結構上都是可行的，并且維護成本很低。基于該DAE技術，綠氫可以在地球上任何地方進行生産，具有巨大的潛在的應用價值。

該技術已經完成專利布局和實驗室階段論證，下一步是放大制氫規模，以及在不同地理和氣候條件下進行測試，以了解其适應不同條件的能力和在不同條件下的工作性能。研究人員正在擴大DAE的規模——從五層堆疊到1平方米，然後是10平方米，以此類推，環境測試也在後期計劃之内。

圖6. DAE樣機實物圖

參考文獻

UN-Water, 2021: Summary Progress Update 2021 – SDG 6 – water and sanitation for all. Version: July 2021. Geneva, Switzerland.

Guo et al. Hydrogen Production from the Air. Nature Communications: Sep 2022, 13, 5046. (DOI: 10.1038/s41467-022-32652-y)

原文

A new device creates hydrogen from air

https://research.unimelb.edu.au/research-at-melbourne/climate-hub/our-climate-capability/a-new-device-creates-hydrogen-from-air

作者

Tess Ritchie, University of Melbourne

改譯

郭繼甯

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