西班牙一座綠色氫能工廠消耗了大量淡水。圖片來源：ANGEL GARCIA

利用可再生能源分解水分子制成綠色氫氣，可為重型車輛提供動力，并使煉鋼等行業脫碳，而不會排放二氧化碳。但由于電解槽是為純水設計的，擴大綠色氫氣的生產規模可能會加劇全球淡水短缺。現在，3個研究小組報告了直接從海水中生產氫氣的進展。未來，海水可能成為取之不盡的綠色氫氣來源。

當前，幾乎所有氫氣都是通過分解甲烷、燃燒化石燃料制造而成，這兩種方法都會釋放二氧化碳。“綠氫”可以取代這種“臟氫”，但價格卻翻了兩番——每公斤約5美元。價格高昂的主要原因是電解槽成本很高，因為后者依賴于貴金屬制成的催化劑。

美國能源部最近啟動了一項為期10年的計劃改進電解槽，并將綠色氫氣的成本降至每公斤1美元。如果成功，綠色氫氣產量將飆升，但世界淡水供應可能會面臨壓力。使用電解法生產1公斤氫氣需要約10公斤水。根據國際可再生能源署的數據，將綠色氫氣用于關鍵行業，每年可能需要大約250億立方米淡水，相當于一個擁有6200萬人口國家的年用水量。

而海水是取之不盡的，但分離海水仍面臨挑戰。電解槽的構造很像電池，一對電極被電解質包圍。陰極上的催化劑將水分子分解成氫離子和羥基離子。陰極上多余的電子將成對的氫離子合成氫氣。然而，當使用海水時，陽極產生的氧氣會將鹽水中的氯離子轉化為具有高度腐蝕性的氯氣，從而侵蝕電極和催化劑。這通常會導致電解槽在數小時內發生故障。

現在，3個研究小組報告了為阻止這種腐蝕作出的努力。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學材料科學家Nasir Mahmood領導的團隊近日在Small報道稱，在電極涂上硫酸鹽和磷酸鹽等帶負電的化合物，可以排斥帶負電的氯離子，從而防止氯氣形成。

澳大利亞阿德萊德大學納米技術專家喬世璋和同事則對電解槽進行了改造，即使用只能滲透氫離子的膜。這種設置在陽極而不是陰極分離水分子，搶走電子以釋放氫離子。離子通過膜遷移到陰極，在那里與電子結合生成氫氣。他們近日在《自然-能源》報道稱，該裝置可在高水流下分解海水100小時而不被腐蝕。

中國南京工業大學教授邵宗平和同事采取第三種抵御氯化物的策略。他們用膜包圍電極，當電解槽將淡水轉化為氫氣和氧氣時會產生壓力，吸引更多水分子通過膜，以補充淡水供應。他們日前在《自然》報告說，該裝置運行了3200個小時而沒有退化跡象。

過濾鹽的膜類似于商業海水淡化廠用的膜。這些膜可以足夠高效地生產淡水，同時每公斤綠色氫氣的成本僅增加0.01美元。

不過Mahmood表示，對于那些負擔不起大規模資本項目的國家來說，海水淡化并不是一個很好的選擇。耐腐蝕電極也可用于開發其他不純凈的水源，如廢水和苦咸水等。

(李木子)

相關論文信息：

https://doi.org/10.1002/smll.202207310

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

https://doi.org/10.1039/D1EE00870F