在新電解槽中，改進(jìn)的離子傳導(dǎo)膜（右側(cè)黃色膜）可以使水產(chǎn)生氫氣，而不需要昂貴的催化劑。圖片來(lái)源：YU SEUNG KIM/洛斯·阿拉莫斯國(guó)家試驗(yàn)室
目前，電解水所用的電解槽價(jià)格昂貴，要么需要昂貴的催化劑，要么需要昂貴的金屬外殼。近日，研究人員在《自然—能源》發(fā)表研究稱，他們制造出一種只需要廉價(jià)材料的電解槽。
據(jù)《科學(xué)》報(bào)道，科學(xué)家早在200多年前就知道如何將水分解為氫氣和氧氣。因?yàn)楫a(chǎn)生的混合氣體會(huì)爆炸，如今最常見(jiàn)的設(shè)置是用一層厚的多孔塑料板將陽(yáng)極和陰極分開(kāi)。研究人員還使用較便宜的金屬催化劑加速反應(yīng)，如鎳和鐵。
為使水能更好地傳導(dǎo)離子通過(guò)設(shè)備，今天最常見(jiàn)的電解槽在水中添加了高水平的氫氧化鉀（KOH）。在陰極或負(fù)極，水分子分解成H+和OH-，H+與來(lái)自陰極的電子結(jié)合形成氫氣，OH-通過(guò)膜擴(kuò)散到陽(yáng)極或正極，在那里它們發(fā)生反應(yīng)生成氧氣和水。
美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Yu Seung Kim說(shuō)，由于KOH具有很強(qiáng)的腐蝕性，所以工程師必須用昂貴的惰性金屬（如鈦）制造電解槽。
這一缺陷促使研究人員在20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)出一種被稱為質(zhì)子交換膜（PEM）的電解槽技術(shù)。該技術(shù)中，隔膜被設(shè)計(jì)成選擇性地允許H+通過(guò)，PEM的催化劑不在電極上，而是被固定在膜的兩端。在這個(gè)裝置中，陽(yáng)極一側(cè)的催化劑將水分子分解成H+和OH-，后者立即與催化劑反應(yīng)生成氧分子。陰極側(cè)膜上的催化劑將H+轉(zhuǎn)化為氫。
因?yàn)镺H-不會(huì)在PEM中遷移，因此電解槽不需要高堿性條件。這種裝置產(chǎn)生氫的速率通常是堿性裝置的5倍。但是這些膜也有自己的缺點(diǎn)：仍然需要一些昂貴的耐腐蝕金屬來(lái)承受質(zhì)子傳導(dǎo)膜產(chǎn)生的酸性條件。它們還需要由鉑和銥制成的催化劑，這些金屬既昂貴又稀有。“根本沒(méi)有足夠的貴金屬用于大規(guī)模制氫。”Giner電化學(xué)公司工程師徐輝（音譯）說(shuō)。
現(xiàn)在，Kim及其同事聯(lián)合華盛頓州立大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)將這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，所研發(fā)的新裝置創(chuàng)造了一個(gè)高堿性的環(huán)境來(lái)促進(jìn)水的分解，但它是通過(guò)將催化劑系在離子導(dǎo)電膜的相對(duì)表面上實(shí)現(xiàn)的。
和KOH一樣，陰極側(cè)的催化劑將水分子分解成H+和OH-，前者轉(zhuǎn)化為氫氣，后者通過(guò)陰離子交換膜（AEM）。新裝置的設(shè)計(jì)目的是創(chuàng)造一個(gè)高堿性的局部環(huán)境，加速OH-向陽(yáng)極一側(cè)移動(dòng)，并在催化劑的作用下反應(yīng)生成氧氣。
該設(shè)備膜附近的堿性條件允許電解槽依靠廉價(jià)且豐富的鎳、鐵和鉬基催化劑來(lái)分解水。由于堿度是局部的，電解槽可以用不銹鋼制造。Kim及同事們報(bào)告說(shuō)，這種新裝置產(chǎn)生氫氣的速度比傳統(tǒng)堿性裝置快3倍，但仍然比商業(yè)上的PEM電解槽慢?！皩⑴f的堿法技術(shù)和薄膜PEM技術(shù)結(jié)合是我們前進(jìn)的道路?！毙燧x說(shuō)。
