“空氣制氫”技術(shù)加速落地

　　瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院一化學(xué)科研團隊日前發(fā)明了可以從空氣中收集水并生產(chǎn)氫的技術(shù)設(shè)備，這是一種將半導(dǎo)體技術(shù)與新型電極相結(jié)合的系統(tǒng)，利用太陽能實現(xiàn)“空氣制氫”。

　　瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院一化學(xué)科研團隊日前發(fā)明了可以從空氣中收集水并生產(chǎn)氫的技術(shù)設(shè)備，這是一種將半導(dǎo)體技術(shù)與新型電極相結(jié)合的系統(tǒng)，利用太陽能實現(xiàn)“空氣制氫”，整個流程零排放。盡管關(guān)鍵材料和整體轉(zhuǎn)換效率還有待進一步改進，但對于氫能閉環(huán)循環(huán)、高效轉(zhuǎn)化的“制、儲、運、用”全鏈條發(fā)展提供了新思路。

　　原型機可擴展且易于制造

　　洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院光電納米材料分子工程實驗室的化學(xué)工程師、首席研究員凱文·西沃拉領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在國際期刊《先進材料》發(fā)表了研究成果，革新之處在于發(fā)明了一個新型氣體擴散電極，這種電極透明、多孔且易導(dǎo)電，使得以太陽能為動力的技術(shù)能夠?qū)碜钥諝庵械臍鈶B(tài)水轉(zhuǎn)化為氫。

　　據(jù)了解，原型機的形狀類似一片葉子，基地由氈制玻璃纖維組成的三維網(wǎng)格，其上涂了一層光收集半導(dǎo)體材料，因此有別于傳統(tǒng)的對陽光不透明的電極層，這個“人造葉子”同時擁有半導(dǎo)體技術(shù)和新型電極的關(guān)鍵優(yōu)勢，透明性使其可以最大限度地暴露于陽光中，多孔性使其可以最大程度地與空氣中的水接觸。

　　西沃拉的研究團隊建造了一個測試室，將“人造葉子”置于潮濕和充沛陽光之中，從空氣和陽光中收集水生產(chǎn)氫氣，相當于將陽光的能量以氫的形式儲存起來。

　　西沃拉指出，這個新型氣體擴散電極利用了光電化學(xué)電池(PEC)技術(shù)，其可制成直接儲能的光電化學(xué)蓄電池，成為一種既能轉(zhuǎn)換太陽光能又能進行能量儲存的多途徑轉(zhuǎn)換太陽能的光電化學(xué)器件，而且半導(dǎo)體在電解液中界面液體結(jié)容易形成，可以廣泛應(yīng)用多晶、薄膜型半導(dǎo)體材料，因而具有制作工藝簡便、價格低廉等特點。

　　目前來看，這個“人造葉子”是一個巧妙且簡單的系統(tǒng)，可擴展且易于制備，但在實際應(yīng)用中仍存在缺點，包括制造使用液體的大面積PEC設(shè)備較為復(fù)雜。

　　植物光合作用觸發(fā)靈感

　　據(jù)了解，西沃拉的研究團隊是從植物的光合作用中獲取的靈感，其在進行可再生燃料的研究中發(fā)現(xiàn)，利用PEC技術(shù)從液態(tài)水和陽光中產(chǎn)生氫，是一種很有前途的人工光合作用材料。

　　新加坡國立大學(xué)教授汪磊指出，自然界的光合作用是萬物生存的基石，人工光合作用的目標則是通過更簡單的化學(xué)反應(yīng)讓太陽能或其他可持續(xù)能源以更快、更高效的方式轉(zhuǎn)化成能量密度更高、應(yīng)用更廣泛的化學(xué)能源。也就是說，人工光合作用的終極目標就是直接利用太陽能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)出液體燃料，同時確保成本經(jīng)濟性。

　　對此，西沃拉研究團隊的成員之一、研究報告的主要撰寫者瑪麗娜·卡雷蒂表示：“實際上，我們開發(fā)原型機就面對了諸多挑戰(zhàn)，包括必須為每一個步驟開發(fā)新的程序，但由于每一個步驟都相對簡單且可擴展，這一科研成果仍然為更低的成本設(shè)計和制造更高效的人工光合作用設(shè)備指明了新方向。”

　　關(guān)鍵材料技術(shù)有待突破

　　不過，這個“空氣制氫”的技術(shù)目前轉(zhuǎn)換效率尚不確定，仍處于技術(shù)探索和經(jīng)驗積累階段。因此，雖然原型設(shè)備和技術(shù)概念已經(jīng)完成，但仍需要在關(guān)鍵材料方面實現(xiàn)進一步突破，才能具備推廣價值和商業(yè)化落地。

　　據(jù)悉，原型機目前只能穩(wěn)定工作大約一個小時，西沃拉的研究團隊正在集中精力優(yōu)化系統(tǒng)，包括完善纖維尺寸、改善孔徑大小、測試半導(dǎo)體和膜材料等。

　　但即便如此，這個“空氣制氫”概念仍然被視為綠色制氫技術(shù)的一個重要里程碑，因為只要在陽光充足、濕度足夠的地方即可實現(xiàn)，甚至除了利用空氣中的氣態(tài)水，地下水、雨水、處理垃圾過程中得到的水都可以加以利用。該研究團隊表示，實際上，如果不考慮成本和效率問題，即便是中學(xué)生也可以在室外完成這一制氫過程。目前的制氫技術(shù)會消耗大量能源，因此更綠色、更高效的制氫方式一直是業(yè)內(nèi)追求的目標。成本方面，只有低于“灰氫”“藍氫”“綠氫”的生產(chǎn)成本，才能凸顯出“空氣制氫”的商業(yè)價值。

　　英國物理學(xué)會雜志《物理世界》撰文稱，瑞士化學(xué)科研團隊提出的“空氣制氫”技術(shù)一旦實現(xiàn)商業(yè)化推廣，將在家庭供暖、汽車供電方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　“可持續(xù)的、低碳的社會，需要將可再生能源轉(zhuǎn)化并儲存為化學(xué)物質(zhì)，以用作工業(yè)染料和原材料，我們的目標是尋求可實現(xiàn)商業(yè)化且具有經(jīng)濟競爭力的清潔能源生產(chǎn)方式。”西沃拉強調(diào)。（記者 王林）