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又一創(chuàng)新!藍色海洋竟能產(chǎn)出“綠色”氫氣?

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2024-07-26  來源:科普中國  瀏覽次數(shù):6445
        氫能在國家新型能源體系建設中占據(jù)重要位置,它來源于哪兒?是一種新發(fā)現(xiàn)的能源嗎?有何應用?

氫能是一種新發(fā)現(xiàn)的能源嗎?

氫能指的是氫氣和氧氣進行化學反應釋放出的化學能,氫氣并不能直接從自然界中獲取,因此氫能屬于二次能源。人類對氫氣的發(fā)現(xiàn)、認識和應用已經(jīng)超過400年。

最早在16世紀,瑞士化學家發(fā)現(xiàn)將“鐵”溶解在硫酸中的過程會釋放一種神秘氣體,這是人類對氫氣最早的描述。1783年,法國化學家拉瓦錫根據(jù)氫氣和氧氣反應產(chǎn)生水,以“成水的元素”賦予了這種神秘氣體新的名字。從那以后,氫氣逐漸被大眾熟知,對氫氣用途的研究也越來越多。由此可見,氫氣并不是“新面孔”而是“老朋友”。


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氫氣在生活中的應用

雖然我們在生活中接觸氫氣的機會并不像接觸氧氣、氮氣等那么多,但是氫氣卻在我們的生活中有著不可替代的作用。

氫氣的密度遠小于空氣,填充氫氣的氣球可以輕松地漂浮到上萬米高空。攜帶探測器的氫氣球是氣象探測的重要工具,它可以收集各種氣象數(shù)據(jù),為天氣預報和氣候研究提供重要支持。

在工業(yè)領(lǐng)域,氫氣是合成氨、甲醇等工業(yè)用品的重要原料之一,在化工生產(chǎn)中占有重要地位。此外,在冶金行業(yè),氫氣常被用作還原劑和保護氣,特別是在鋼鐵行業(yè)的減碳發(fā)展中,“氫冶金技術(shù)”是重要的技術(shù)路徑。

在交通領(lǐng)域,車輛尾氣排放帶來的環(huán)境問題日益加劇,氫氣作為“綠色燃料”受到了研究者的廣泛關(guān)注。氫氣可以通過氫燃料電池發(fā)電,為車輛提供驅(qū)動力。該過程只生成水,不會排放對環(huán)境有污染的物質(zhì),符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。

在電力領(lǐng)域,氫氣主要扮演著儲能的角色。氫氣儲能電站通過電解水制取氫氣,將電能以化學能方式儲存在氫氣中,當需要用電時再利用氫氣發(fā)電,不僅解決了可再生能源發(fā)電的間歇性問題,還提供了穩(wěn)定可靠的電力供應。

在航天領(lǐng)域,氫氣作為火箭推進劑,能夠提供巨大推力,使火箭順利進入太空。此外,氫氣燃料電池可以作為航天器的動力系統(tǒng),具有能源效率高、排放低、噪音小的特點,能夠為飛行器提供持久穩(wěn)定的動力,滿足長時間航行需求。


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氫氣的來源

氫氣作為一種重要的能源載體,根據(jù)制備方式的不同可分為灰氫、藍氫和綠氫。

灰氫是指通過化石燃料如天然氣、石油等經(jīng)過重整或氣化等過程產(chǎn)生的氫氣。由于其主要原料天然氣的資源豐富,灰氫價格相對較低。但是,灰氫的生產(chǎn)過程會排放大量二氧化碳,對環(huán)境造成負面影響。

藍氫是在灰氫基礎上,結(jié)合碳捕集、利用與封存技術(shù)獲取的氫氣。該技術(shù)可以捕捉和封存灰氫制取過程中所產(chǎn)生的二氧化碳,從而減少環(huán)境污染。由于碳捕集和封存技術(shù)需要額外的投資和運營成本,藍氫的生產(chǎn)成本相對較高。然而,從環(huán)保角度來看,藍氫相較于灰氫更具優(yōu)勢,是一種過渡性清潔能源。

綠氫是指利用可再生能源(如太陽能、風能等)發(fā)電,通過電解水方式產(chǎn)生的氫氣。其生產(chǎn)過程無碳排放,符合低碳環(huán)保理念。綠氫的生產(chǎn)成本主要受制于電解水技術(shù)和可再生能源發(fā)電技術(shù)成本,因此價格更高。

大海能“產(chǎn)出”氫氣嗎?

大海蘊含著豐富的資源,采用電解海水方式可以制取氫氣。這不僅可以將海水變?yōu)殡娊馑希€可以直接利用風能、潮汐能等可再生能源發(fā)電,為電解海水提供電能,這種方式具有很好的經(jīng)濟性,可以有效降低制備綠氫的成本。

但是,海水具有很強的腐蝕性,對電解設備提出了很高的要求。此外,海洋中的波浪對電解過程的穩(wěn)定性也帶來了很大挑戰(zhàn)。

2024年6月21日,中國科學家在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊上發(fā)表了關(guān)于在波浪運動不可控的海洋中,利用浮動平臺進行原位直接電解海水的研究,該文章表示,在海洋中電解海水制氫將成為可能。


研究成果發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications)期刊。圖片來源:參考文獻[1]

研究者通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程與電化學反應巧妙結(jié)合,建立了相變遷移驅(qū)動的海水直接電解制氫理論模型。在該模型中,采用具有超疏水性和離子阻隔效應的防水透氣層,可以有效隔離海水中的雜質(zhì),僅允許海水以水分子形態(tài)擴散。

海水的高飽和蒸氣壓與高濃度電解質(zhì)的低飽和蒸氣壓之間存在一種推動力,能促進水分子“海水側(cè)氣化-膜內(nèi)擴散-電解質(zhì)側(cè)液化”的自發(fā)相變遷移過程,為電解水反應提供低離子濃度的淡水,解決了海水對電極的腐蝕問題。

并且,電解水反應與海水的遷移速率具有動態(tài)自調(diào)節(jié)的特性,即當電解速率大于水遷移速率時,界面水蒸氣壓差會提高水遷移速率以滿足電解水過程需求。

基于電解水反應與海水遷移速率動態(tài)自調(diào)節(jié)的特性,研究者通過揭示不同區(qū)域(深圳灣、興化灣)海水組分濃度變化與界面水蒸氣壓差的關(guān)系,闡明了電解海水反應對海洋波動的自適應性,并且該自適應性也同樣降低了不同海浪波動模式對電解反應的影響。

在實驗室模擬海洋環(huán)境下,研究者實現(xiàn)了500小時以上電解海水制氫的穩(wěn)定性測試,驗證了電解系統(tǒng)、防水透氣層等核心關(guān)鍵部件在復雜環(huán)境下的耐受性與抵御能力。


       a.風力發(fā)電機組示意圖;b.渦輪功率隨風速的波動;c.浮動平臺在波動環(huán)境下的壓力和應力分布;d.海洋中浮動平臺的方位;e.海上風向玫瑰圖;f.風力渦輪機網(wǎng)絡與漂浮平臺照片。圖片來源:參考文獻[1]

此外,該研究團隊還與企業(yè)聯(lián)合設計研制了直接電解海水制氫漂浮平臺,在福建省興化灣3級-8級大風、0.3米-0.9米海浪干擾下,與海上風電直接對接,連續(xù)穩(wěn)定運行10天,海水雜質(zhì)離子阻隔率高達99.99%以上,制氫純度達到99.9%-99.99%。

該研究成果創(chuàng)建了海水原位直接電解制氫全新模式,真正意義上實現(xiàn)了將“海水資源”轉(zhuǎn)化為“海水能源”。充分利用綠色能源是促進生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路,科學家們提出了很多創(chuàng)新技術(shù),為全球環(huán)保事業(yè)注入了不竭的動力,讓我們在追求綠色環(huán)保的道路上加油前行。

參考文獻

[1] Liu T, Zhao Z, Tang W, et al. In-situ direct seawater electrolysis using floating platform in ocean with uncontrollable wave motion[J].Nature Communications, 2024.

[2] Guo J, Zheng Y, Hu Z, et al. Direct seawater electrolysis by adjusting the local reaction environment of a catalyst[J].Nature Energy, 2023.

[3] 徐京輝,王宇超,殷雨田,等.工業(yè)電解海水制氫技術(shù)及電極材料研究進展[J].低碳化學與化工, 2024.

[4] 舟丹.什么是灰氫,藍氫和綠氫[J].中外能源, 2021.


 
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