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澳大利亞研究人員利用尿液降低氫氣成本

2025-06-01 09:08  瀏覽:  

阿德萊德大學(xué)和澳大利亞研究委員會(huì)碳科學(xué)與創(chuàng)新卓越中心 (COE-CSI)的研究人員創(chuàng)建了兩種電解系統(tǒng),利用尿液和廢水中的尿素生產(chǎn)氫氣,與水基氫氣生產(chǎn)相比,可將電力消耗減少高達(dá) 27%。

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(wú)害的氮?dú)猓皇怯卸镜南跛猁}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(shuō)。

氫氣通常是通過(guò)電解水分解成氧氣和氫氣來(lái)產(chǎn)生的。研究團(tuán)隊(duì)表示,該過(guò)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(wú)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(guò)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(shuō)道。“我們第一篇論文中的系統(tǒng)雖然采用了獨(dú)特的無(wú)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(guò)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(guò)使用綠色尿素來(lái)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(lái)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(shuō),計(jì)算表明,通過(guò)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(wú)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(wú)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。

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