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科普 | 又一創(chuàng)新!藍(lán)色海洋竟能產(chǎn)出“綠色”氫氣?
日期:2024-07-26   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_sunmengqian 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
氫能在國(guó)家新型能源體系建設(shè)中占據(jù)重要位置,它來(lái)源于哪兒?是一種新發(fā)現(xiàn)的能源嗎?有何應(yīng)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)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(lèi)對(duì)氫氣的發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)和應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)400年。

最早在16世紀(jì),瑞士化學(xué)家發(fā)現(xiàn)將“鐵”溶解在硫酸中的過(guò)程會(huì)釋放一種神秘氣體,這是人類(lèi)對(duì)氫氣最早的描述。1783年,法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫根據(jù)氫氣和氧氣反應(yīng)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(duì)氫氣用途的研究也越來(lái)越多。由此可見(jiàn),氫氣并不是“新面孔”而是“老朋友”。

氫氣在生活中的應(yīng)用

雖然我們?cè)谏钪薪佑|氫氣的機(jī)會(huì)并不像接觸氧氣、氮?dú)獾饶敲炊?,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(yuǎn)小于空氣,填充氫氣的氣球可以輕松地漂浮到上萬(wàn)米高空。攜帶探測(cè)器的氫氣球是氣象探測(cè)的重要工具,它可以收集各種氣象數(shù)據(jù),為天氣預(yù)報(bào)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(hù)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(chē)輛尾氣排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)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(guò)氫燃料電池發(fā)電,為車(chē)輛提供驅(qū)動(dòng)力。該過(guò)程只生成水,不會(huì)排放對(duì)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(chǔ)能的角色。氫氣儲(chǔ)能電站通過(guò)電解水制取氫氣,將電能以化學(xué)能方式儲(chǔ)存在氫氣中,當(dāng)需要用電時(shí)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(wèn)題,還提供了穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。

在航天領(lǐng)域,氫氣作為火箭推進(jìn)劑,能夠提供巨大推力,使火箭順利進(jìn)入太空。此外,氫氣燃料電池可以作為航天器的動(dòng)力系統(tǒng),具有能源效率高、排放低、噪音小的特點(diǎn),能夠?yàn)轱w行器提供持久穩(wěn)定的動(dòng)力,滿足長(zhǎng)時(shí)間航行需求。

氫氣的來(lái)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(lán)氫和綠氫。

灰氫是指通過(guò)化石燃料如天然氣、石油等經(jīng)過(guò)重整或氣化等過(guò)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(jià)格相對(duì)較低。但是,灰氫的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)排放大量二氧化碳,對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。

藍(lán)氫是在灰氫基礎(chǔ)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(guò)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(yùn)營(yíng)成本,藍(lán)氫的生產(chǎn)成本相對(duì)較高。然而,從環(huán)保角度來(lái)看,藍(lán)氫相較于灰氫更具優(yōu)勢(shì),是一種過(guò)渡性清潔能源。

綠氫是指利用可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能等)發(fā)電,通過(guò)電解水方式產(chǎn)生的氫氣。其生產(chǎn)過(guò)程無(wú)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(jià)格更高。

大海能“產(chǎn)出”氫氣嗎?


大海蘊(yùn)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?,還可以直接利用風(fēng)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(jì)性,可以有效降低制備綠氫的成本。

但是,海水具有很強(qiáng)的腐蝕性,對(duì)電解設(shè)備提出了很高的要求。此外,海洋中的波浪對(duì)電解過(guò)程的穩(wěn)定性也帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

2024年6月21日,中國(guó)科學(xué)家在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊上發(fā)表了關(guān)于在波浪運(yùn)動(dòng)不可控的海洋中,利用浮動(dòng)平臺(tái)進(jìn)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。

研究者通過(guò)將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過(guò)程與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合,建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(kuò)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(dòng)力,能促進(jìn)水分子“海水側(cè)氣化-膜內(nèi)擴(kuò)散-電解質(zhì)側(cè)液化”的自發(fā)相變遷移過(guò)程,為電解水反應(yīng)提供低離子濃度的淡水,解決了海水對(duì)電極的腐蝕問(wèn)題。

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

基于電解水反應(yīng)與海水遷移速率動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)的特性,研究者通過(guò)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(yīng)對(duì)海洋波動(dòng)的自適應(yīng)性,并且該自適應(yīng)性也同樣降低了不同海浪波動(dòng)模式對(duì)電解反應(yīng)的影響。

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

a.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組示意圖;b.渦輪功率隨風(fēng)速的波動(dòng);c.浮動(dòng)平臺(tái)在波動(dòng)環(huán)境下的壓力和應(yīng)力分布;d.海洋中浮動(dòng)平臺(tái)的方位;e.海上風(fēng)向玫瑰圖;f.風(fēng)力渦輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)與漂浮平臺(tái)照片。圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[1]此外,該研究團(tuán)隊(duì)還與企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)研制了直接電解海水制氫漂浮平臺(tái),在福建省興化灣3級(jí)-8級(jí)大風(fēng)、0.3米-0.9米海浪干擾下,與海上風(fēng)電直接對(duì)接,連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10天,海水雜質(zhì)離子阻隔率高達(dá)99.99%以上,制氫純度達(dá)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(shí)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(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路,科學(xué)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(dòng)力,讓我們?cè)谧非缶G色環(huán)保的道路上加油前行。

參考文獻(xiàn)

[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(jìn)展[J].低碳化學(xué)與化工, 2024.

[4] 舟丹.什么是灰氫,藍(lán)氫和綠氫[J].中外能源, 2021.

策劃制作

出品丨科普中國(guó)

作者丨石暢 物理化學(xué)博士

監(jiān)制丨中國(guó)科普博覽

責(zé)編丨董娜娜

審校丨徐來(lái) 林林 

原標(biāo)題:科普 | 又一創(chuàng)新!藍(lán)色海洋竟能產(chǎn)出“綠色”氫氣?
 
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來(lái)源:氫能匯
 
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