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。綠氫的痛點是成本太高，雖然近年以來，可再生能源的電價不斷下降，天然氣和石油價格不斷上漲，導(dǎo)致綠氫跟灰氫和藍氫相比，成本越來越具有競爭力，但總體來看，因為還沒形成規(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，降低可再生能源價格，尋找合適的儲運技術(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)了一種由聲波推動的全新電解技術(shù)，從而實現(xiàn)了更便宜、更節(jié)能的綠色制氫。在這些高頻振動的作用下，標(biāo)準(zhǔn)電解過程能產(chǎn)生14倍以上的氫。同時根據(jù)RMIT的最新研究，當(dāng)研究人員們播放10-MHz的聲波時，整個電解過程的效果會好得多。
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專利申請以保護新技術(shù)。
該項研究通過聲波可以提高制氫效率，原理如下：
首先，振動水具有震動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接觸。
其次，由于不同的氣體以氣泡形式聚集在每個電極上，振動會將氣泡震散。這加快了電解過程，因為這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，震動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
在他們的實驗中，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酸或強堿的電解液，追求最佳的反應(yīng)速率，RMIT團隊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，電流密度和反應(yīng)速率就會躍升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。團隊認為，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。”
雖然這項創(chuàng)新很有前景，但該團隊需要克服挑戰(zhàn)，將聲波創(chuàng)新與現(xiàn)有電解槽集成起來，以擴大運行規(guī)模。
Yeo表示：“我們熱衷于與行業(yè)合作伙伴合作，以促進和補充他們現(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。”
