水分解成氫和氧用來替代傳統(tǒng)的化石燃料。但是從純凈水中獲取，就有些得不償失了，純凈的水資源是一種非常珍貴的資源。在舊金山灣，斯坦福大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種利用太陽能、電極和鹽水來制取氫燃料的方法。

這一研究發(fā)表在3.18日的《美國科學(xué)院學(xué)報》上。展示了一種通過使用電從海水中分離氫氣和氧氣的新方法?，F(xiàn)存的分離水的方法依賴于高純度的水，而高純度的水使得成產(chǎn)成本變的高昂。從理論上來說，為了給城市和汽車提供動力，“你如要如此多的氫，如果只靠使用純凈水的資源，這樣消耗的量巨大的不可想象。”“我們在加利福尼亞州，幾乎沒有足夠的純凈水來滿足的我們目前的需求。”斯坦福大學(xué)人文科學(xué)院化學(xué)教授、該論文的合著者C.J伍德和J.G.杰克遜說道。

戴宏杰說，氫是一種很吸引人的燃料，因為它不排放二氧化碳。燃燒氫只會生產(chǎn)水，而且會會緩解日益惡化的氣候變化問題。他的實驗室通過演示展示了概念的驗證，研究人員將會把它留給制造商進行大規(guī)模生產(chǎn)。

戴宏杰和他在斯坦福大學(xué)的研究實驗室開發(fā)了一種可以從海水中產(chǎn)生氫燃料的原型。(圖片來源：由H. Dai，Yun Kuang，Michael Kenney提供)

解決腐蝕問題

使用電將水分解成氫和氧被稱為電解，這是一個簡單而古老的想法：一個電源連接放置在水中的兩個電極上。當(dāng)電源接通時，氫氣從負(fù)極(稱為陰極)中冒出，然后可供人呼吸的氧氣從正極(即陽極)冒出。但是海水中帶負(fù)電荷的氯化物會腐蝕正極(陽極)，從而會降低系統(tǒng)的使用壽命。戴宏杰和它的團隊希望找出一種方法來阻止海水中的這些成分破壞正極(陽極)。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果他們在陽極上涂上一層充滿負(fù)電荷的涂層，這些涂層排斥氯化物，并會減緩底層金屬的衰變。

他們將鎳鐵氫氧化物層在硫化鎳的頂部，覆蓋鎳泡沫芯。鎳泡沫起到導(dǎo)體的作用——從電源傳輸電能，氫氧化鎳引發(fā)電解，將水分解為氧和氫。在電解過程中，硫化鎳演變成一個負(fù)電荷層，保護陽極。正像兩塊磁鐵的負(fù)極互相推動一樣，帶負(fù)電荷的層排斥氯化物并阻止它到達核心金屬。

根據(jù)戴宏杰實驗室的研究生、論文的合著者邁克爾·肯尼(MichaelKenney)的說法，如果沒有帶負(fù)電荷的涂層，陽極只能在海水中工作12小時左右。“整個電極都碎裂了，”肯尼說。“但是有了這層，它可以運行一千多個小時。”

先前的研究試圖將海水分解成氫燃料，但由于腐蝕發(fā)生在更高的電流下，所以其產(chǎn)生的電流都很小。但是戴宏杰，肯尼和他們的同事們能夠通過他們的多層裝置傳導(dǎo)10倍的電能，這有助于它以更快的速度從海水中產(chǎn)生氫氣。

“我認(rèn)為我們創(chuàng)下了分離海水的記錄。”戴宏杰說。小組成員在可控的實驗室條件下進行了大部分測試，在那里他們可以調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的電量。他們還設(shè)計了一個太陽能演示機，使用舊金山灣收集的海水中產(chǎn)生氫氣和氧氣。而且，在沒有鹽腐蝕風(fēng)險的情況下，該設(shè)備與目前使用純凈水的技術(shù)相匹配。肯尼說：“這項研究令人印象深刻的是，我們能夠在與當(dāng)今工業(yè)所用電流相同的電流下工作。”

出乎意料的簡單

回首過去，戴宏杰和肯尼可以看到他們設(shè)計的如此簡單易行。戴秉國說：“如果我們?nèi)昵坝幸粋€水晶球，它將在一個月內(nèi)完成。”但是，既然已經(jīng)找到了用海水電解的基本配方，這種新方法將為提高太陽能或風(fēng)能驅(qū)動的氫燃料的可用性打開大門。

在未來，這項技術(shù)可以用于發(fā)電以外的用途。由于這個過程也會產(chǎn)生可呼吸的氧氣，潛水員或潛水艇可以把設(shè)備帶到海洋中，在不需要浮出水面換氣的情況下，在海底產(chǎn)生氧氣。在技術(shù)轉(zhuǎn)讓方面，“人們可以在現(xiàn)有的電解槽系統(tǒng)中使用這些元素，而且速度非?？欤?rdquo;戴宏杰說。“這不像從零開始——更像從80%或90%開始。其他合著者包括北京化工大學(xué)的客座科學(xué)家云匡和山東科技大學(xué)的孟永濤。其他作者包括魏宣洪、劉一金、黃建安、普拉桑納和麥蓋希。

這項工作由美國能源部、國家科學(xué)基金會、國家科學(xué)基金會和國家重點研發(fā)項目資助。