新技术可从水中获得纯净氢气

随着全球气温变暖逐步呈现加速态势，人们越发关注起新能源来。作为一种极具潜力的新能源，氢能受到重视：氢能燃烧后生成产物只有水，没有任何二次污染。

如今，多数氢气来自化石燃料，这会导致如同二氧化碳等副产品排放。电解水技术则能有效规避温室气体生成，彻底做到可再生、无污染。

目前最广为好评的氢气生产技术是 PEMEs （质子交换膜电解槽，proton exchange membrane electrolyzers）技术。这种高分子分离膜适用于各类充电解决方案，质子运动令正负电荷分离：阴极带有负电荷，阳极带有正电荷，电极上分别生成氢气和氧气。两种单质被高分子分离膜相隔绝，这样一来使得纯净氢气可以大量生产。

但别高兴得太早——由于贵金属催化剂的参与，PEMEs 技术过于昂贵。虽说较高的电力负荷能在一定程度上抵消这种催化剂成本，但，电力负荷过高以后，氢、氧与催化颗粒会催生出活性氧（reactive oxygen species, ROS），继而降低高分子分离膜的产能。

若是降低电力负荷，氢气氧气生成速率会和它们扩散通过高分子分离膜的速率相接近，这样一来效率也随之降低。无法得到纯净的氢气也算了，这样得到的氢氧混合气体非常危险，会导致燃烧甚至是爆炸。

好消息是，就在最近，研究人员已寻找到一条新路子，不仅减少了氢氧的混合，更有效提升了贵金属催化剂的效率。

这项技术名为“电子耦合质子缓冲（electron-coupled proton buffer, ECPB）”，可以在单独的隔间各自生成氢气和氧气。他们引入某种化学物质，该物质在失去两个电子的同时，从电极获得两个质子。紧接着，化学物质被输送到单独的隔间，以氧化剂的角色进行氧化还原反应并获得两个电子，继而生成单质氢。（氢气分子由两枚氢原子组成，包含两枚质子和两枚电子。）

这种分开隔间的方法有如下优势：它使得在常压下生产的氢效率增加，同时减少电解池中氢气生成量，总体上将氧气生成量降到最低，乃至减少了高分子分离膜的折耗。

这种神奇的化学介质叫做硅钨酸（H4[SiW12O40]）。水分子在阳极分解为氧原子核与氢原子核（即质子），质子停留在溶液中向阴极移动，电子与质子通过硅钨酸介质进入到隔间，在隔间中接受氧化，最终生成氢气分子。

研究人员已试验在密闭电解池内用硅钨酸介质搭载氢气，阳极使用含铂或碳的材料，阴极使用碳材料。介质还可在密封反应瓶以简化形式运作，金属箔可以催化析氢。

比起目前的高分子分离膜系统，碳基贵金属催化剂的最大产氢率大了 30 倍。此外，通过比较能量的输出和输入测定了介导的电化学过程效率，发现比起缺少介质时候高了 16%。总体上比当前的高分子分离膜效率高了 63%。而在经过九轮循环后，介质仍保持稳定。这些结论综合起来，可以得出：无论在成本上抑或是效益上，新系统比起现有的 PEMEs 更有优势。以及，这一系统生成氢气的纯度高，氢气样品中的氧气含量也低于检出限。

更有甚者，人们故意将 10% 的氧气引入到隔间后，氧气也会彻底消失——与减少的介质反应，生成水与再氧化介质。

可见，该系统不仅经济，更提升了反应过程的安全性，氢氧混合气体再也不会生成，避免酿成惨剧。

Science, 2014. DOI: 10.1126/science.1257443  (About DOIs).

VIA ArsTechnica

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