海水可以制氢吗 ? 标准的电解水方法需要净化水，过程昂贵且复杂。斯坦福大学 SLAC 国家加速实验室的 David Krause 描述了一项新研究，该研究使用电解和双层膜直接从海水中分离出氯化物，以及氢和氢氧化物。此过程不会产生漂白剂和氯等有毒物质。为了扩大该技术的规模，研究人员计划用更充足、更易开采的原料来制造电极和薄膜。研究中获得的经验可以帮助他们设计出更坚固的薄膜来分离氧气等其他气体。

海水中混合了氢、氧、钠和其他元素，对地球上的生命至关

重要。但海水中复杂的化学成分也使得提取氢气用于清洁能源变得困难。

美国能源部 SLAC 国家加速器实验室与斯坦福大学、俄勒冈大学和曼彻斯特城市大学的研究人员合作，发现了一种通过双膜系统电解海水提取氢气的方法。事实证明，该创新设计成功地制取了氢气，而且不会产生大量有害的副产物。研究成果已发表在《焦耳》杂志上，可能有助于推动低碳燃料的生产。

SUNCAT 界面科学与催化中心（SLAC- 斯坦福联合研究所的副研究员 Adam Nielander 说：“如今，许多水制氢系统都使用单分子层或者说单层膜，而我们的研究将两层膜结合在一起。这种膜结构使研究人员得以在实验中控制海水中离子的流动方向。氢气是一种低碳燃料，目前应用于许多领域，例如用于驱动燃料电池汽车，以及作为电网的长时储能选择——氢气可储存数周、数月甚至更长时间。

水净化成本高昂

许多制氢方法都是使用淡水或脱盐水，但这些方法既昂贵又耗能。净化过的水更容易生成氢气，因为水中漂浮的化学元素或分子更少。然而，研究人员表示，水净化成本高昂，耗能且设备复杂。另一种选择是天然淡水，但淡水本身就是稀有资源，且淡水中含有许多杂质使用现代技术也难以去除。

控制海水中的氯化物

为了处理海水，研究小组采用了双极膜或双层膜系统，并使用电解方法——用电来驱动离子或带电元素——对其进行测试。SLAC 和斯坦福博士后研究员 Joseph Perryman 表示，他们的设计首先要控制对海水系统最有害的元素——氯化物。

Perryman 说：“海水中有许多活性物质会干扰水与氢的反应，而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一。特别是，氯化物接触阳极并氧化会缩短电解系统的使用寿命，而且氧化产物（包括氯分子和漂白剂）具有毒性，因此氯化物实际上危害极大。”

实验中的双极膜提供了制氢所需的必要条件，并减少了氯化反应。

Perryman 说：“我们实际上在加倍努力阻止这种氯化反应。”

分离氢离子和氢氧根离子

理想的膜系统有三个主要功能：从海水中分离氢气和氧气；帮助移动有用的氢离子和氢氧根离子，同时限制其他海水离子的流动；帮助防止发生不必要的反应。将这三种功能结合在一起十分困难，团队的研究目标是探索将这三种需求有效结合的系统。

具体来说，在实验中，质子（即带正电荷的氢离子）穿过其中一层膜，在某个位置聚集起来，并通过与带负电荷的电极（阴极）相互作用变成氢气。系统中的第二层膜只允许氯化物等负离子穿过。

斯坦福大学化学工程学院研究生、该研究的合著者Daniela Marin表示，作为额外的保障，一个膜层上附着带负电荷的基团，以防止氯化物等其他负离子移动到它们不该去的地方。该团队的实验证明，这种带负电荷的薄膜可以高效地阻挡几乎所有的氯离子，而且在系统运行时不会产生漂白剂和氯等有毒副产品。

为氧气等其他气体设计更坚固的薄膜

研究人员表示，除了设计海水—氢膜系统外，该研究还对海水离子如何穿过薄膜有了更多的了解。这些知识可以帮助科学家设计出更坚固的薄膜，以用于其他用途，如用于制取氧气。

Marin 说：“人们对利用电解制氧也表现出兴趣。了解双极膜系统中的离子流动和转化对这项工作也至关重要。除了在实验中生产氢气外，科研人员还展示了如何使用双极膜制氧。”

扩大规模？

接下来，该团队计划使用储量更丰富、更易获取的材料来制造电极和膜。该团队表示，这一设计改进可以使电解系统更易扩大规模，直至为能源密集型行业（如运输部

门）制备所需氢气。

研究人员还希望将电解电池暴露在 SLAC 的斯坦福同步辐射光源（SSRL）的强 x 射线下，以研究催化剂和薄膜的原子结构。

SLAC 和 斯 坦 福 大 学 教 授、SUNCAT 主任 Thomas Jaramillo 说“绿氢技术的未来是光明的。科研人员所获得的基础性见解是未来创新的关键，将有助于提高该技术性能、耐久性和可扩展性。”