利用光伏發(fā)電、風(fēng)電和水電等可再生能源規(guī)模化電解水制氫是重要的“綠氫”生產(chǎn)路徑。綠氫的痛點(diǎn)是成本太高，雖然近年以來，可再生能源的電價(jià)不斷下降，天然氣和石油價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致綠氫跟灰氫和藍(lán)氫相比，成本越來越具有競爭力，但總體來看，因?yàn)檫€沒形成規(guī)模化生產(chǎn)，加上電解槽、催化劑等設(shè)備的成本，綠氫的成本依然比較高。
因此，無論是產(chǎn)業(yè)界，還是學(xué)界，都在尋找突破技術(shù)，探尋新的催化劑，優(yōu)化電解槽設(shè)備，降低可再生能源價(jià)格，尋找合適的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)等，都是降低綠氫使用成本的方向。
近日，皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）的研究人員開發(fā)了一種由聲波推動(dòng)的全新電解技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了更便宜、更節(jié)能的綠色制氫。在這些高頻振動(dòng)的作用下，標(biāo)準(zhǔn)電解過程能產(chǎn)生14倍以上的氫。同時(shí)根據(jù)RMIT的最新研究，當(dāng)研究人員們播放10-MHz的聲波時(shí)，整個(gè)電解過程的效果會(huì)好得多。
該研究成果已于近期以“Acoustically-Induced Water Frustration for Enhanced Hydrogen Evolution Reaction in Neutral Electrolytes”為題發(fā)表在了《Advanced Energy Materials》雜志上，并已提交澳大利亞臨時(shí)專利申請以保護(hù)新技術(shù)。
該項(xiàng)研究通過聲波可以提高制氫效率，原理如下：
首先，振動(dòng)水具有震動(dòng)離電極最近的水分子的效果，將這些水分子從它們通常“定居”的四面體網(wǎng)絡(luò)中搖出來，這可以讓更多的“自由”水分子與電極上的催化點(diǎn)接觸。
其次，由于不同的氣體以氣泡形式聚集在每個(gè)電極上，振動(dòng)會(huì)將氣泡震散。這加快了電解過程，因?yàn)檫@些氣泡阻礙了電極與水的接觸，限制了反應(yīng)速度。與此同時(shí)，震動(dòng)帶來的聲音還有助于產(chǎn)生氫離子（帶正電的水離子），以及產(chǎn)生有助于質(zhì)量轉(zhuǎn)移的對流。
SRBW電化學(xué)電池的示意圖
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員選擇使用通常表現(xiàn)很差的電極。而電解過程往往使用稀有和昂貴的鉑或銥金屬以及強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的電解液，追求最佳的反應(yīng)速率，RMIT團(tuán)隊(duì)使用了更便宜的金電極和中性pH值的電解液。當(dāng)研究小組一打開聲音振動(dòng)，電流密度和反應(yīng)速率就會(huì)躍升14倍之多。
線性掃描伏安圖測試結(jié)果
因此，研究人員得出結(jié)論：只需要向電解裝置投放一定數(shù)量的能量，就可以得到多14倍的氫氣。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在更快的反應(yīng)、節(jié)能和成本更低的材料和電解質(zhì)之間，他們的工作可以幫助降低綠色氫氣的價(jià)格。
“電解的主要挑戰(zhàn)之一是使用的電極材料成本高，例如鉑或銥。”RMIT工程學(xué)院的 Rezk 說，“聲波使得從水中提取氫氣變得更加容易，它消除了使用腐蝕性電解質(zhì)和昂貴的電極（如鉑或銥）的需要，我們可以使用更便宜的電極材料，比如銀。”
Rezk表示，使用低成本電極材料和避免使用高腐蝕性電解質(zhì)的能力是降低綠色氫氣生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。
論文第一作者Yemima Ehrnst認(rèn)為，聲波還防止了電極上氫氣和氧氣氣泡的積聚，這大大提高了它的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。
RMIT工程學(xué)院的博士研究員Ehrnst說：“用于電解的電極材料會(huì)受到氫氣和氧氣氣體積聚的影響，形成一層氣體，使電極的活性最小化，并顯著降低其性能。”
雖然這項(xiàng)創(chuàng)新很有前景，但該團(tuán)隊(duì)需要克服挑戰(zhàn)，將聲波創(chuàng)新與現(xiàn)有電解槽集成起來，以擴(kuò)大運(yùn)行規(guī)模。
Yeo表示：“我們熱衷于與行業(yè)合作伙伴合作，以促進(jìn)和補(bǔ)充他們現(xiàn)有的電解槽技術(shù)，并將其集成到現(xiàn)有的工藝和系統(tǒng)中。”
