海水混合了氢、氧、钠和其他元素，对地球上的生命至关重要。但同样复杂的化学反应使得提取氢气用于清洁能源变得困难。
现在，能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员与俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的合作者找到了一种方法，通过双膜系统和电力将海水输送到海洋中。他们的创新设计被证明可以成功地产生氢气，而且不会产生大量有害副产品。他们今天发表在《焦耳》杂志上的研究结果可能有助于推动生产低碳燃料的努力。
“如今许多水制氢系统都尝试使用单层或单层膜。我们的研究将两层结合在一起，”SLAC-斯坦福联合研究所 SUNCAT 界面科学与催化中心的副研究员 Adam Nielander 说。“这些膜结构使我们能够控制海水中离子在我们实验中的移动方式。”
氢气是一种低碳燃料，目前以多种方式使用，例如用于驱动燃料电池电动汽车，以及作为一种长期储能选择——适合将能量储存数周、数月或更长时间——用于电网.
许多制造氢气的尝试都是从淡水或脱盐水开始的，但这些方法可能既昂贵又耗能。经过处理的水更容易处理，因为它周围漂浮的物质(化学元素或分子)更少。然而，研究人员说，净化水很昂贵，需要能源，并增加了设备的复杂性。他们说，另一种选择是天然淡水，除了是地球上更为有限的资源外，还含有许多对现代技术有问题的杂质。
为了处理海水，该团队实施了双极或双层膜系统，并使用电解对其进行了测试，电解是一种使用电力驱动离子或带电元素以进行所需反应的方法。SLAC 和斯坦福大学博士后研究员 Joseph Perryman 说，他们通过控制对海水系统最有害的元素——氯化物来开始他们的设计。
“海水中有许多活性物质可以干扰水制氢反应，而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一，”佩里曼说。“特别是，到达阳极并氧化的氯化物会缩短电解系统的使用寿命，并且由于包括分子氯和漂白剂在内的氧化产物的毒性，实际上可能变得不安全。”
实验中的双极膜允许获得制造氢气所需的条件，并减少氯化物进入反应中心。
“我们基本上正在加倍努力阻止这种氯化物反应，”佩里曼说。
氢的家园
理想的膜系统将执行三个主要功能：从海水中分离氢气和氧气;帮助仅移动有用的氢离子和氢氧根离子，同时限制其他海水离子;并有助于防止不良反应。将所有这三者同时捕获是很困难的，该团队的研究旨在探索能够有效结合所有这三种需求的系统。
具体来说，在他们的实验中，作为正氢离子的质子穿过膜层之一到达可以收集它们的地方，并通过与带负电的电极相互作用转化为氢气。系统中的第二层膜仅允许负离子(例如氯离子)通过。
斯坦福大学毕业生丹妮拉·马林 (Daniela Marin) 说，作为额外的后盾，一个膜层包含固定在膜上的带负电荷的基团，这使得其他带负电荷的离子(如氯离子)更难移动到它们不应该移动的地方化学工程专业的学生和合著者。在该团队的实验中，带负电荷的膜被证明可以高效阻挡几乎所有的氯离子，并且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯气等有毒副产物。
研究人员表示，除了设计海水制氢膜系统外，该研究还可以更好地了解海水离子如何穿过膜。这些知识还可以帮助科学家为其他应用设计更坚固的膜，例如生产氧气。
“也有人对使用电解产生氧气感兴趣，”马林说。“了解我们的双极膜系统中的离子流动和转化对于这项工作也至关重要。除了在我们的实验中产生氢气，我们还展示了如何使用双极膜产生氧气。”
接下来，该团队计划通过使用更丰富且更容易开采的材料来构建电极和膜，从而改进它们。该团队表示，这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动(如交通部门)生产氢气所需的规模。
研究人员还希望将他们的电解槽带到 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL)，在那里他们可以使用该设施的强 X 射线研究催化剂和膜的原子结构。
“绿色氢技术的未来是光明的，”SLAC 和斯坦福大学教授兼 SUNCAT 主任 Thomas Jaramillo 说。“我们获得的基本见解是为未来创新提供信息以提高这项技术的性能、耐用性和可扩展性的关键。”
该项目得到海军研究办公室的支持;斯坦福杜尔可持续发展学院加速器;能源部基础能源科学、化学科学、地球科学和生物科学部办公室，通过 SLAC-斯坦福联合研究所 SUNCAT 界面科学与催化中心;以及能源部的能源效率和可再生能源燃料电池技术办公室。
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