下一代电解器可为全球提供清洁能源

一个用可再生能源运行的世界很简单，基本上就是：收集太阳能和风能，并利用这些能量为称为电解器的设备供电，电解器将水分解为氧气和氢气，氢气可以用作燃料。问题在于现今的电解器价格昂贵，要么需要昂贵的催化剂，要么需要昂贵的稀有金属。现在，研究人员报告说，他们结合了两种电解器的优点，可以制作廉价的电解器。

电化学公司Giner Inc.的化学工程师许辉说：“我认为这是一个重大突破。” 他和他的同事在去年的能源部会议上提出了类似方案，但尚未公布。如果新电解器技术在实际运用中被证明是廉价且稳定的，则该技术会增强全球对可再生能源的利用。纽瓦克特拉华大学的化学工程师严玉山(Yushan Yan)说：“要完成这一步，我们就差临门一脚。” 一些小公司，包括他创立的小公司，已经组建起来准备进行该技术的商业化。

科学家们知道如何将水分解为氢气和氧气已有200多年的历史：将两个金属电极放在一罐水中，在它们之间施加电压，氢气和氧气会分别在两个电极上产生。由于混合气体会爆炸，因此当今最常见的设置是用多孔厚塑料板将阳极和阴极隔开。他们还使用金属催化剂(最便宜的是镍和铁等催化剂)来加快反应速度。

为了增加产气速率，当今最普遍的电解器会向水中添加高含量的氢氧化钾(KOH)。在负极，水分子裂解为H+和OH-离子。H+离子与来自负极的电子结合形成氢气。OH–离子通过膜扩散到正极，在此处生成氧气和水。

Los Alamos国家实验室的化学家Yu Seung Kim说，KOH具有很高的腐蚀性，因此工程师必须使用昂贵的惰性金属(例如钛)来制造设备。这一缺陷促使研究人员在1960年代开发了一种称为质子交换膜(PEM)电解器的技术，该技术中的分隔膜可以选择性地允许H+离子通过。PEM电解器的催化剂不在电极上，而是被固定在膜的两面。在这种情况下，正极侧的催化剂将水分子分解为H+和OH-离子，后者立即在催化剂上反应形成氧气分子。然后H+穿过塑料膜迁移至负极侧，在此处经膜上的催化剂催化，H+离子转化为氢气。

因为OH-离子不会通过PEM膜迁移，所以不需要强碱性条件。且该技术的产气速率是碱性液版本的五倍。但是，该技术也有其缺点：它需要一些昂贵的耐腐蚀金属以承受由质子在膜两侧转移产生的酸性环境，还需要由铂和铱制成的催化剂。这些金属昂贵且稀有。例如，铱的全球年产量仅为7吨。许说：“根本没有足够的贵金属用于大规模制氢。”

现在，Kim和Los Alamos的同事以及华盛顿州立大学的研究人员说，他们结合了这两种方法的优点。在他们发明的新设备中，有局部高度碱性的环境，可促进水分解。与PEM电解器的策略不同，新方法参考了KOH电解器，将催化水分解为H +和OH-的催化剂放在负极侧，前者直接在负极侧转化为氢气，OH-离子穿过膜，称为阴离子交换膜(AEM)。该装置能够在局部创造一个高度碱性的环境，从而加快OH-离子向正极侧的迁移，在正极侧膜上，催化剂将OH-催化生成氧气。

于是，局限在膜附近的碱性环境，使得电解器能够使用廉价，丰富的镍，铁和钼基催化剂，而且电解槽可以用不锈钢制成。Kim和他的同事说，这种新设备产生氢气速率比传统碱性设备快约三倍，但比商用PEM电解器要慢得多。“将旧的碱性技术与PEM技术相结合是未来点解技术发展的方向” 许说。

新装置需要验证其耐用性。最初的实验表明，催化膜在反应仅仅10小时后就开始破裂。Kim说，主要问题可能是聚合物膜容易吸水。随着时间的推移，可能导致催化剂颗粒脱落。研究小组准备将氟添加到催化膜中，以排斥水。Kim希望通过一系列优化措施，将AEM电解器实际运用到太阳能和风能装置中，成为无碳世界的一项关键技术。

本文译自 Science | AAAS，由 Mork 编辑发布。