检测报告

　　电解水，将水分解成氢和氧，是一个简单而历史悠久的想法。现有电解水的技术大都基于纯水，而超过95%的地球水资源——海水少有关注。

　　近日，北京化工大学、美国斯坦福大学等合作在美国《国家科学院院刊》上发表题为“太阳能驱动的、持续稳定的海水分解制氢”的研究论文，展示了一种通过微纳结构化电*电解海水制氢的新方法，并且在工业电解电流密度下具有长达上千小时的稳定性。

　　“这种新型电催化剂不仅解决了海水电解制氢的工程化问题，也提示了未来从海水中同时制备氢气、氧气、盐的可能性。”该论文*作者、北京化工大学化工能源有效利用国家重点实验室、北京软物质科学与工程高精尖创新中心副教授邝允告诉《中国科学报》。

　　海水之困

　　氢是地球上已知的能量密度高的物质，燃烧不排放二氧化碳，能够缓解全球变暖问题，是未来清洁能源的解决方案之一。

　　电解水制氢是一种规模化制氢的潜在方案：一个电源连接到放置在水中的两个电*上。当电源接通时，氢气从阴*（负*）中冒出，可呼吸的氧气从阳*（正*）冒出。从理论上讲，这一方法为城市和汽车提供了动力。但目前，电解氢需将海水制备成高纯度的水，生产成本很高。

　　“全球需要如此多的氢，所以不可能使用纯净水，”斯坦福大学化学系教授、美国国家科学院院士、该论文作者之一戴宏杰表示，“加利福尼亚州几乎没有足够的水来满足目前的需求。”

　　用丰富的海水资源制备氢无疑能解决这一难题。但电解过程中，海水中的氯离子易与金属集流体发生作用而将金属溶出，导致腐蚀的发生，限制系统的寿命。根据斯坦福大学化学系研究生、论文作者之一MichaelJ.Kenney的说法，普通阳*只能在海水中工作12小时左右。“然后整个电*都碎裂了。”

　　“这主要是因为海水中的氯化钠会导致阳*严重的析氯副反应和电*腐蚀，科研界一直希望探索通过调控电解系统和电*结构来避免氯气在阳*生成的新方法。”邝允说。

　　为电*加上保护层

　　研究人员发现，将海水的pH值调至碱性时，可以抑制氯离子的氧化，使得氧气更易在阳*产生。邝允介绍，在碱性条件下，镍铁氢氧化物是目前性能较高且稳定的析出氧气的催化剂。“选择镍铁氢氧化物作为电催化剂，或许可以同时提高电*的选择性和稳定性。”

　　针对氯离子带来的腐蚀性问题，研究人员将硫化镍生长在泡沫镍导体上，并将镍铁氢氧化物催化剂生长在硫化镍的顶部，形成多层结构。邝允表示，泡沫镍起到导体的作用——传输电能，引发电解。在电解过程中，中间层硫化镍会演变成一个负电荷层，保护阳*。正像两块磁铁的负*互相推动一样，带负电荷的层排斥氯离子并阻止其到达电*内部的金属导体部分。

　　MichaelJ.Kenney说：“有了这一层保护层，它可以运行超过1000个小时。”

　　此外，先前试图将海水分解成氢燃料的研究中，由于腐蚀*易发生在较高的电流下，所以实际电解过程的电流很小，但这往往影响电解效率。此次，研究人员通过多层电*将电解电流增大到以往的10倍以上，实现以更快的速度从海水中获得氢气。“我认为我们创下了海水分流的记录。”戴宏杰说，“既然已经找到了电解海水的新方法，这或许能为提高太阳能或风能驱动的氢燃料的可用性打开大门。”

　　为了验证该方法实际应用的可能性，研究人员还设计了一个太阳能驱动电解系统的演示装置，从旧金山湾收集的海水中电解出氢气和氧气。

　　美国化学会《纳米》杂志副主编、加州大学伯克利分校教授、劳伦斯伯克利国家实验室电子材料项目负责人AliJavey表示，太阳能驱动的海水分解一直是科研界的攻关目标，但多年来进展甚微，该研究首次论证了其可实施性。

　　像鱼一样在海中呼吸

　　该方法的实际应用难度和成本如何？研究人员进一步验证发现，该方法能够基于现有电解槽系统，使用工业电流展开工作，并且电解速度快。

　　德累斯顿理工大学分子功能材料系主任冯新亮评价，该研究为稳定的海水电解开发提供了经济低廉的电催化剂方案，对氢燃料的生产具有重要意义。

　　“目前，该研究尚存在诸多待研究的工程细节，距离实际应用尚有一段时间。”邝允介绍，一方面，利用太阳能、风能等可再生能源电解海水面临能量输入波动的问题，而且不同于实验室运行的长时间持续电解，实际电解系统会面临经常性的开关，这些工程实际情况都对电*的稳定性提出了新的要求，亟待科研人员攻关；另一方面，实验室目前进行了方法、概念的验证，实现规模化、工业化需要进行放大实验，需要搭建一套真正实用的而非实验室模拟的海水电解系统。

　　值得一提的是，未来这一新方法有望用于发电以外的新用途。邝允表示，由于这个过程会产生可呼吸的氧气，潜水员或潜水艇可以把设备带到海洋中，在不需要浮出水面换气的情况下，使用在海底产生氧气，实现换气。

检测流程

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