顆粒在線訊：發(fā)達(dá)國家對使用氫(H2)作為未來綠色燃料的態(tài)度搖擺不定。如今，隨著氣候危機(jī)日益明顯，人們對氣候變化的興趣正在重新燃起。假設(shè)氫可以通過使用可持續(xù)的電力來生產(chǎn)，那么氫的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于它的經(jīng)濟(jì)性。安裝氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的高昂成本，一直是美國和其他國家決定暫停氫氣計(jì)劃的主要原因。

近日，一個來自挪威奧斯陸大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種電化學(xué)膜反應(yīng)器，從更便捷和更經(jīng)濟(jì)的載體(包括氨(NH3)、甲烷(CH4)和生物質(zhì)能)中剝離氫，直接正面解決了氫基礎(chǔ)設(shè)施的需求。這些燃料可以通過現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)送到需要的地方，在那里它們可以被轉(zhuǎn)化為氫用于燃料電池。相關(guān)工作以“Single-step hydrogen production from NH3, CH4, and biogas in stacked proton ceramic reactors”為題發(fā)表在最新一期的《Science》。并被《Science》作為亮點(diǎn)評述。

近年來，使用液體或容易液化的氫氣載體來滿足氫氣輸送需求的概念得到了廣泛的關(guān)注。氨作為載體很有吸引力，因?yàn)檎麄€循環(huán)是完全無碳的；而甲烷之所以有吸引力，是因?yàn)楫a(chǎn)生的二氧化碳有可能被分離；生物質(zhì)之所以有吸引力，是因?yàn)槿绻c固碳一起使用，它會導(dǎo)致碳負(fù)循環(huán)。在現(xiàn)有的從含氫化合物中提取氫的反應(yīng)器類型中，基于質(zhì)子陶瓷電解質(zhì)的電化學(xué)膜反應(yīng)器具有明顯的優(yōu)勢。這種反應(yīng)器結(jié)合了熱化學(xué)催化劑，可以促進(jìn)載體的分解，并通過一個導(dǎo)電質(zhì)子的固體膜電化學(xué)泵送氫。因?yàn)橹挥匈|(zhì)子在析氫電極氧化后以氫氣的形式出現(xiàn)，才能被輸送到膜上，因此人們可以合理地預(yù)測，每一個被輸送到膜上的電子都會以1:2的比例產(chǎn)生氫氣。此外，由于膜的固體狀態(tài)和氣體不滲透的特性，產(chǎn)生的氫可以完全不含雜質(zhì)——特別是未反應(yīng)的載體分子，這些分子根本無法到達(dá)膜的另一邊。另一個額外的好處是可以通過增加電流來加壓氫的能力。

圖1. 隨著用于氫燃料生產(chǎn)的電解水的增加，能源部門越來越需要使用氨和甲烷等方便的載體來有效地輸送氫。

照片來源：YOSHIKAZU TSUNO/AFP/GETTY IMAGES

與電化學(xué)反應(yīng)器不同的是，傳統(tǒng)的催化膜反應(yīng)器使用的是滲透氫的膜，通常由鈀或鈀合金制成，而不是滲透質(zhì)子的膜。通過機(jī)械壓力，氫氣可以通過傳統(tǒng)的膜，從而產(chǎn)生化學(xué)勢梯度。在電化學(xué)膜反應(yīng)器中，通過施加電壓(或電流)驅(qū)動質(zhì)子穿過膜，間接驅(qū)動氫氣的流量。

電化學(xué)膜反應(yīng)器的最新進(jìn)展刺激了實(shí)施“按需氫”的解決方案。在為實(shí)際應(yīng)用放大的設(shè)備中，挑戰(zhàn)出現(xiàn)了。正如Clark(文章的第一作者)等人所指出的，管理整個反應(yīng)堆的溫度分布是特別困難的。因?yàn)闅錆舛鹊淖兓瑢浔眠^電化學(xué)膜的過程會導(dǎo)致溫度的升高。同時，分解反應(yīng)本身是吸熱的，并使溫度下降。因此，在一個簡單線性流動的反應(yīng)堆中，上游的狀態(tài)將比下游的狀態(tài)冷得多。這樣的溫度梯度使得效率大幅下降。

圖2. 使用PCERs分離和壓縮H2

Clark等人通過設(shè)計(jì)一種逆流幾何結(jié)構(gòu)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，這種結(jié)構(gòu)可以將電化學(xué)泵在反應(yīng)器下游產(chǎn)生的熱量傳遞到反應(yīng)器上游，在那里載體分解反應(yīng)進(jìn)而冷卻系統(tǒng)。除了使用逆流設(shè)計(jì)外，還通過制定互連材料來緩解熱梯度，該材料提供了良好的傳熱以及反應(yīng)堆中相鄰單元之間的電接觸?；ミB組件也被設(shè)計(jì)成與反應(yīng)器電化學(xué)組件的熱膨脹行為相匹配，從而有助于其長期穩(wěn)定性。隨著反應(yīng)器設(shè)計(jì)和材料組成的進(jìn)步，研究者在這項(xiàng)工作中實(shí)現(xiàn)了載氣轉(zhuǎn)換、氫氣回收、系統(tǒng)尺寸和反應(yīng)器壽命的前所未有的組合。

Clark等人所設(shè)計(jì)的體系實(shí)現(xiàn)了> 99%的提氫效率，這個數(shù)值高于目前其他所有已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)。雖然提氫效率不是一個經(jīng)常討論的指標(biāo)，但它對描述催化膜反應(yīng)器的整體性能是有用的，可以通過載體轉(zhuǎn)化率分?jǐn)?shù)乘以氫回收率分?jǐn)?shù)來計(jì)算。

圖3. 用于電化學(xué)制氫的PCER堆

另一個重要的指標(biāo)是跨膜的壓力差。在傳統(tǒng)的膜催化反應(yīng)器中，機(jī)械泵對反應(yīng)物加壓，滲透物的出現(xiàn)壓力低于進(jìn)料壓力。因此，需要額外的機(jī)械泵對氫進(jìn)行加壓和壓縮，以便儲存和運(yùn)輸。Clark等人展示了一個集成系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，化學(xué)轉(zhuǎn)化、凈化和加壓都在一個設(shè)備中完成，而這一成就只有在電化學(xué)膜反應(yīng)器中才能實(shí)現(xiàn)。氫氣萃取效率和廢氣增壓的結(jié)合在他們的系統(tǒng)中同樣也是前所未有的。未來的努力方向可能是提高氫通量，對于他們的電化學(xué)系統(tǒng)來說，這仍然是適度的，不需要考慮提取效率或壓力指標(biāo)。

當(dāng)今，氫的主要應(yīng)用是在石油煉制中，約占所有氫消耗的55%，而約93%的氫是由甲烷產(chǎn)生的。因此，甲烷蒸汽重整技術(shù)的進(jìn)步可能會無意中延長全球?qū)剂系囊蕾?。通過將更多的注意力集中在Clark等人展示的一種氫載體氨上，未來的電化學(xué)催化反應(yīng)器可能會在不產(chǎn)生碳排放的情況下使用氫。