很少有气候解决方案是没有缺点的。利用可再生能源分解水分子制成绿色氢气，可为重型车辆提供动力，并使炼钢等行业脱碳，而不会排放二氧化碳。但由于电解槽是为纯水设计的，因此扩大绿色氢气的生产规模可能会加剧全球淡水的短缺。现在，几个研究小组报告了直接从海水中生产氢气的进展。未来，海水可能成为取之不尽用之不竭的绿色氢气来源。
西班牙一座绿色氢能工厂将消耗大量淡水。图片来源：ANGEL GARCIA/BLOOMBERG VIA GETTY IMAGES
当前，几乎所有的氢气都是通过分解甲烷、燃烧化石燃料制造而成，这两种方法都会释放二氧化碳。“绿氢”则可以取代这种“灰氢”，但价格却是翻倍的，每公斤约5美元。价格高昂的主要原因是电解槽成本很高，因为电解槽依赖于贵金属制成的催化剂。美国能源部最近启动了一项为期10年的计划以改进电解槽，并将绿色氢气的成本降至每公斤1美元。
如果他们成功了，绿色氢气产量将飙升，但世界淡水供应可能会面临压力。使用电解法生产1公斤氢气需要大约10公斤水。根据国际可再生能源署的数据，使用绿色氢气运营卡车和用于关键行业，每年可能需要大约250亿立方米淡水，相当于一个拥有6200万人口国家的年用水量。
海水几乎是取之不尽的，但分离海水仍面临挑战。电解槽的构造很像电池，一对电极被电解质包围。阴极上的催化剂将水分子分解成氢离子和羟基离子。阴极上多余的电子将成对的氢离子合成氢气。
然而，当使用海水时，阳极产生的氧气会将盐水中的氯离子转化为具有高度腐蚀性的氯气，从而侵蚀电极和催化剂。这通常会导致电解槽在数小时内发生故障。
现在，有3个研究小组正在报告阻止这种腐蚀所做出的努力。
第一个是皇家墨尔本理工大学材料科学家Nasir Mahmood领导的团队。他们近日在Small报道称，在电极上涂上硫酸盐和磷酸盐等带负电的化合物，可以排斥带负电氯离子，从而防止氯气的形成。
阿德莱德大学的纳米技术专家乔世璋和同事则对电解槽进行了改造，该电解槽使用的是只能渗透氢离子的膜。这种设置在阳极而不是阴极分裂水分子，抢走电子以释放氢离子。离子通过膜迁移到阴极，在那里与电子结合生成氢气。他们在《自然能源》报道称，该装置在高水流下分解海水100小时而不会被腐蚀。
南京理工大学的化学工程师邵宗平和同事采取了第3种策略来抵御氯化物。他们用膜包围电极，当电解槽将淡水转化为氢气和氧气时会产生压力，通过膜吸引更多的水分子，以补充淡水供应。他们在《自然》报告说，该装置运行了3200个小时，没有退化迹象。
过滤盐的膜类似于商业海水淡化厂的膜，这些膜已经足够高效地生产淡水，同时每公斤绿色氢气的成本仅增加0.01美元。
不过，Mahmood表示，对于那些负担不起大规模资本项目的国家来说，海水淡化并不是一个很好的选择。耐腐蚀电极则可能用于开发其他不纯净的水源，如废水和微咸水等。
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/smll.202207310
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5
https://doi.org/10.1039/D1EE00870F
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