制氢技术突破！空气制氢：未来绿氢能源的解决方案

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文章来源：科创板日报、我是科学家、材料人

据报道，一组来自澳大利亚的科学家近期开发了一种利用大气中的水生产氢气的新方法。他们声称，其新装置可以确保稳定的性能，并为偏远地区提供绿色氢气。

近期，来自澳大利亚墨尔本大学、中国科学院赣江创新研究院和英国曼彻斯特大学的研究人员设计并验证了一种生产氢气但不消耗淡水的设备。这项被称为“直接空气电解槽”（DAE）的技术的工作原理是直接从空气中吸收水，再通过可再生电能电解水，生产氢气。这是目前已知的第一项可以直接从空气中生产高纯氢气的报道。

相关工作以《Hydrogen production from the air》为题发表在《Nature Communications》上

文末“阅读原文”可直接跳转至原文

DOI：10.1038/s41467-022-32652-y

在传统方法中，电解水指的是从液态水中收集氢和氧，将两个电极放入水中并使电流流过，阳极上的电子被从水中剥离，形成带正电荷的氢离子和氧分子。阴极电子被给予氢离子，形成氢气。但这种方法要求使用纯液态水，这就限制了其在水资源不丰富地区的使用。

但在上述最新研究中，DAE则通过收集空气中已存在的水，消除了这一风险并降低了相关成本，使其能够在任何地方生产氢气。

空气制氢路线图，图源墨大知识产权办公室

该项工作核心创新点包括以下两个方面：

1. 基于氢氧化钾、硫酸、丙二醇等潮解材料可以从干燥的空气中吸收水蒸气的特性，提出了一种通过电解暴露在空气中的吸湿性电解质来生产高纯度氢的方法。

2. 这项工作开辟了一条不消耗液态水而生产绿色氢气的可持续途径。通过优化制氢结构充分利用了分布广泛的自然资源（太阳能、风能）和水蒸气，摆脱了制氢所需要的水和电的限制。

具体而言，该装置利用空气中的水分通过电解直接产生氢气，而无需输入任何液态水。该模块由中间的集水单元和两侧的电极与气体收集器组成。它可以与光伏和风力发电机，以及任何依赖可再生能源的发电机相配对。

研究人员进一步解释称，“三聚氰胺海绵、烧结玻璃泡沫等多孔介质被潮解性离子物质浸泡，通过暴露的表面吸收空气中的水分。在液相中捕获的水通过扩散转移到电极表面，随后在原位分裂为氢气和氧气，并作为纯气体分别收集。”

DAE技术原理图。图a DAE 模块的示意图，带有一个由浸有吸湿性离子溶液的多孔介质制成的集水单元；图b DAE 模块的横截面示意图，显示电极与空气进料隔离，吸收的水通过海绵的毛细管输送到电极

该团队建造了一个太阳能驱动的独立式“氢塔”，用一个太阳能电池板和五个DAE模块平行堆叠而成。他们说，“塔的占地面积不超过太阳能电池板，这意味着我们的DAE将不会占用额外的土地，这在某些地区可能是昂贵的。”

随后，他们在室外温度从20℃到40℃，相对湿度从20%到40%的条件下，对该原型装置进行了为期12天的测试。实验结果显示，该装置能够在一天内生产约1500毫升氢气，法拉第效率（实际生成物和理论生成物的百分比）约为95%。

图a DAE样机实物图；图b 不同天气条件下两天在相应的空气湿度和温度下每小时的氢气产生率和法拉第效率

研究人员进一步指出，“在将上述DAE模块置于空气中无人看管8个月后，氢气的法拉第效率仍保持在90%左右，无需进行任何维护。该原型机实现了在不同天气条件下，根据太阳强度自动稳定生产氢气。”

他们认为，这项新技术的好处是，电解中使用的电力可来自风能或太阳能等可再生能源，产生的氢气可用作氢燃料，甚至可用于氢核聚变反应。该设备既可放置在太阳能或风能丰富但缺水的地区，也适用于在偏远地区制氢。

总的来说，这项DAE技术，目的并不是取代传统制氢工艺，而是成为一个完美的补充，当淡水资源丰富且价格便宜时，传统制氢工艺仍具有优势。经过两年半的研发和实验室论证之后，团队成员认为，该装置在技术和工艺上都易于转化并与可再生能源结合，可以在相对湿度低至4%的情况下连续产生高纯度的氢气，且维护成本很低。基于该DAE技术，可以在地球上任何地方生产绿氢，潜在的应用价值巨大。

现阶段，该技术已经完成专利布局和实验室论证，下一步是放大制氢规模、在不同地理和气候条件下进行测试，以了解其适应能力和工作性能。“我们正在扩大DAE的规模——从五层堆叠到1平方米、10平方米，以此类推。尽管可以在实验室里模拟干燥的气候，但那毕竟不是真正的沙漠。因此我们想把它带到爱丽斯泉，花几个星期的时间，看看情况如何。”在此之后，其商业化前最后阶段的重点将是能源的整合、存储和供应。

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1、绿氨成为绿氢应用新风口？双碳目标下绿氢合成绿氨的发展现状与分析 编辑：戴戴联系邮箱：[e-mail]

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