目前工業(yè)上大規(guī)模制備氫氣離不開高溫高壓以及目標產物的提純。近日，我國科學家提出并實現了一種常溫常壓、高效率制備高純氫氣（大于99.99%）的新策略。相關論文發(fā)表在最新一期的《自然·通訊》雜志上。

氫能源被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。目前，水汽變換（WGS）反應（CO H2O→H2 CO2）是工業(yè)上大規(guī)模制備氫氣的主要方法。WGS過程通常需要在高溫（180℃—250℃）和高壓（1.0兆帕—6.0兆帕）的條件下進行。除了苛刻的反應條件，通過WGS反應制得的氫氣往往含有約1%—10%的一氧化碳殘留及反應產物二氧化碳和甲烷等，需要進一步分離純化才能進行下游的應用。因此，發(fā)展更經濟的、環(huán)境友好的方法，在溫和條件下直接制備高純氫氣是氫能源發(fā)展的迫切需求。

中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室研究員鄧德會團隊，經過長期探索，結合電化學反應原理，巧妙地將WGS的氧化還原反應拆分為彼此分離的兩個“半反應”，首次提出了一種能在常溫常壓下直接制備高純氫氣的電化學水汽變換概念：室溫電化學水汽變換（EWGS）反應。在這個反應中，一氧化碳在陽極發(fā)生氧化反應，生成的二氧化碳與電解質氫氧化鉀進一步反應生成碳酸鉀，避免了二氧化碳的排放；同時水在陰極直接被還原生成高純氫氣。陰陽兩極由陰離子交換膜分隔開，從而有效分隔兩極產物，因此從原理上避免了傳統(tǒng)WGS中氫氣需要分離提純的過程。

實驗結果顯示，通過對催化劑的設計和電極結構的優(yōu)化，EWGS反應在常溫常壓條件下實現了99.99%的高純氫制備。這與傳統(tǒng)的WGS反應完全不同，為低能耗生產高純氫氣提供了新思路。

綠色化氫氣的生產過程及相關項目進展

據外國媒體報道：在清潔氫氣可以擴大規(guī)模之前，生產氫氣仍然嚴重依賴化石燃料。現階段，有三種主要的氫氣來源：天然氣、石油和煤炭?？茖W家現在希望改變這一事實，他們計劃綠色化氫氣的生產過程，以開啟一種全新的經濟模式，這已經在蘇格蘭的奧克尼群島取得了小規(guī)模的成功。

希臘研究和技術中心的Souzana Lorentzou博士和負責HYDROSOL項目的科學家表示，從碳足跡低或零的工藝生產氫氣是發(fā)展氫經濟的核心。

該項目涉及在太陽能塔內產生氫氣，該太陽能塔接收由圍繞其傾斜的約100個鏡子集中的太陽光。這種塔通常通過加熱水來驅動汽輪機來發(fā)電，但Lorentzou博士和她的同事反而利用熱量來驅動化學反應，將水分解成其組成元素，氧氣和氫氣。

除了最高溫度之外，使這種反應變得可行還包括使用金屬氧化物，其在過去被研磨成粉末。Lorentzou博士和她的同事卻將金屬氧化物制成由通道和毛孔網絡組成的大單塊，他們認為這些單塊更有效。最近，研究人員試圖通過調整現有的太陽能塔，即西班牙的Plataforma Solar de Almeria，在現實世界的情景中重復他們的成功。他們設法產生了一些氫氣，但沒有達到他們希望的那么多，因為它們不能產生足夠高的溫度。結果讓人感覺到這個過程的潛力，雖然很有希望，但還需要進一步發(fā)展。

另一方面，意大利都靈理工大學的Debora Fino教授則在努力的利用沼氣生產氫氣。

在稱為氧氣蒸汽重整的過程中，沼氣可以在熱和蒸汽的存在下變成氫氣，類似于已經從化石燃料產生氫氣的方式。然而，與化石燃料方法不同，氧氣蒸汽重整依賴于生態(tài)來源，并且當沼氣氧化時，會自發(fā)的產生大量的熱量。

面臨的挑戰(zhàn)是設計一種高效且足夠緊湊的商業(yè)系統(tǒng)，以便可以在任何有沼氣的地方安裝。在他們目前的項目中，BioRoburplus，Fino教授及其同事正在通過預商用設備實現這一目標，其高效熱集成和凈化氣流提高了效率。

事實上，蘇格蘭奧克尼群島的一個名為BIG HIT的項目已經在開發(fā)一個小型的，獨立的氫經濟-有些人更喜歡稱之為氫區(qū)。通過電解，風能和潮汐能可用于產生氫氣。

來源：科技日報等整編