COE-CSI 首席研究員姚政教授表示，這種方法不僅使綠色氫氣在經(jīng)濟(jì)上與化石燃料替代品具有競(jìng)爭(zhēng)力，而且還為廢水處理創(chuàng)造了一種優(yōu)雅的解決方案。
“雖然我們還沒有解決所有問題，但如果這些系統(tǒng)能夠擴(kuò)大規(guī)模，我們的系統(tǒng)將產(chǎn)生無害的氮?dú)?，而不是有毒的硝酸鹽和亞硝酸鹽，而且這兩個(gè)系統(tǒng)都將比水分解系統(tǒng)節(jié)省 20-27% 的電力，”他說。
氫氣通常是通過電解水分解成氧氣和氫氣來產(chǎn)生的。研究團(tuán)隊(duì)表示，該過程“成本高昂”且耗能，需要1.23 V的電壓才能觸發(fā)反應(yīng)，而他們能夠分解尿素。尿素作為氫載體，其熱力學(xué)分解勢(shì)壘低于水，僅為0.37 V。
在他們的第一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)采用了一種無膜電解系統(tǒng)，該系統(tǒng)由銅基催化劑驅(qū)動(dòng)，以純尿素為原料。該尿素是通過哈伯-博施氨合成工藝生產(chǎn)的。為了避免這種高能耗和高碳排放的工藝，他們?cè)O(shè)計(jì)了第二個(gè)系統(tǒng)，利用尿液中的尿素。
“我們需要降低制氫成本，但要以碳中和的方式，”鄭教授說道。“我們第一篇論文中的系統(tǒng)雖然采用了獨(dú)特的無膜系統(tǒng)和新型銅基催化劑，但使用的卻是純尿素，而尿素是通過哈伯-博施氨合成工藝生產(chǎn)的，該工藝能耗高，會(huì)釋放大量二氧化碳。”
“我們通過使用綠色尿素來源——人類尿液解決了這個(gè)問題，這是我們第二篇論文中研究的系統(tǒng)的基礎(chǔ)。”
雖然尿液是一種很有前景的尿素來源，但它也存在自身的挑戰(zhàn)。尿液中含有氯離子，會(huì)在電解過程中引發(fā)不必要的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氯氣，腐蝕系統(tǒng)的陽極，并影響其長(zhǎng)期功能。
為了解決這個(gè)問題，研究人員的第二個(gè)系統(tǒng)采用了氯介導(dǎo)的氧化機(jī)制，利用碳負(fù)載的鉑基催化劑改變反應(yīng)途徑。
研究人員表示，這種方法不僅可以保護(hù)陽極，還可以保持尿液高效產(chǎn)氫，并且基于鉑的系統(tǒng)每立方米氫氣的耗電量低至 4.05 千瓦時(shí)，優(yōu)于傳統(tǒng)的水電解(4.70-5.00 千瓦時(shí))。
他們表示：“這一突破的財(cái)務(wù)影響可能會(huì)改變綠色氫氣的格局。”并補(bǔ)充說，計(jì)算表明，通過他們的系統(tǒng)生產(chǎn)的氫氣成本低于傳統(tǒng)上從化石燃料中提取的“灰色”氫氣。
研究人員表示：“基于該系統(tǒng)的工業(yè)規(guī)模無膜電解器成功將氫氣生產(chǎn)成本降低至每公斤 1.81 美元(2.79 美元)，低于灰氫的成本，也低于美國(guó)能源部 2030 年每公斤 2.00-2.50 美元(3.08-3.85 美元)的技術(shù)目標(biāo)。”
該團(tuán)隊(duì)目前正致力于構(gòu)建完全無膜系統(tǒng)，既能回收綠色氫氣，又能修復(fù)富氮廢水。他們還承認(rèn)，使用鉑作為催化材料是不可持續(xù)的，并致力于開發(fā)非貴金屬替代品。
該研究發(fā)表在 《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)國(guó)際版》 和 《自然通訊》上。
