《Science》利用质子陶瓷电化学反应器实现新型制氢，效率>99%

发达国家对使用氢(H2)作为未来绿色燃料的态度摇摆不定。如今，随着气候危机日益明显，人们对气候变化的兴趣正在重新燃起。假设氢可以通过使用可持续的电力来生产，那么氢的关键挑战在于它的经济性。安装氢气基础设施的高昂成本，一直是美国和其他国家决定暂停氢气计划的主要原因。

近日，一个来自挪威奥斯陆大学的研究团队开发了一种电化学膜反应器，从更便捷和更经济的载体(包括氨(NH3)、甲烷(CH4)和生物质能)中剥离氢，直接正面解决了氢基础设施的需求。这些燃料可以通过现有的基础设施运送到需要的地方，在那里它们可以被转化为氢用于燃料电池。相关工作以“Single-step hydrogen production from NH3, CH4, and biogas in stacked proton ceramic reactors”为题发表在最新一期的《Science》。并被《Science》作为亮点评述。

近年来，使用液体或容易液化的氢气载体来满足氢气输送需求的概念得到了广泛的关注。氨作为载体很有吸引力，因为整个循环是完全无碳的；而甲烷之所以有吸引力，是因为产生的二氧化碳有可能被分离；生物质之所以有吸引力，是因为如果与固碳一起使用，它会导致碳负循环。在现有的从含氢化合物中提取氢的反应器类型中，基于质子陶瓷电解质的电化学膜反应器具有明显的优势。这种反应器结合了热化学催化剂，可以促进载体的分解，并通过一个导电质子的固体膜电化学泵送氢。因为只有质子在析氢电极氧化后以氢气的形式出现，才能被输送到膜上，因此人们可以合理地预测，每一个被输送到膜上的电子都会以1:2的比例产生氢气。此外，由于膜的固体状态和气体不渗透的特性，产生的氢可以完全不含杂质——特别是未反应的载体分子，这些分子根本无法到达膜的另一边。另一个额外的好处是可以通过增加电流来加压氢的能力。

图1. 随着用于氢燃料生产的电解水的增加，能源部门越来越需要使用氨和甲烷等方便的载体来有效地输送氢。照片来源：YOSHIKAZU TSUNO/AFP/GETTY IMAGES

与电化学反应器不同的是，传统的催化膜反应器使用的是渗透氢的膜，通常由钯或钯合金制成，而不是渗透质子的膜。通过机械压力，氢气可以通过传统的膜，从而产生化学势梯度。在电化学膜反应器中，通过施加电压(或电流)驱动质子穿过膜，间接驱动氢气的流量。

电化学膜反应器的最新进展刺激了实施“按需氢”的解决方案。在为实际应用放大的设备中，挑战出现了。正如Clark(文章的第一作者)等人所指出的，管理整个反应堆的温度分布是特别困难的。因为氢浓度的变化，将氢泵过电化学膜的过程会导致温度的升高。同时，分解反应本身是吸热的，并使温度下降。因此，在一个简单线性流动的反应堆中，上游的状态将比下游的状态冷得多。这样的温度梯度使得效率大幅下降。

图2. 使用PCERs分离和压缩H2。

Clark等人通过设计一种逆流几何结构来应对这一挑战，这种结构可以将电化学泵在反应器下游产生的热量传递到反应器上游，在那里载体分解反应进而冷却系统。除了使用逆流设计外，还通过制定互连材料来缓解热梯度，该材料提供了良好的传热以及反应堆中相邻单元之间的电接触。互连组件也被设计成与反应器电化学组件的热膨胀行为相匹配，从而有助于其长期稳定性。随着反应器设计和材料组成的进步，研究者在这项工作中实现了载气转换、氢气回收、系统尺寸和反应器寿命的前所未有的组合。

Clark等人所设计的体系实现了> 99%的提氢效率，这个数值高于目前其他所有已经报道的文献。虽然提氢效率不是一个经常讨论的指标，但它对描述催化膜反应器的整体性能是有用的，可以通过载体转化率分数乘以氢回收率分数来计算。

图3. 用于电化学制氢的PCER堆。

另一个重要的指标是跨膜的压力差。在传统的膜催化反应器中，机械泵对反应物加压，渗透物的出现压力低于进料压力。因此，需要额外的机械泵对氢进行加压和压缩，以便储存和运输。Clark等人展示了一个集成系统，在该系统中，化学转化、净化和加压都在一个设备中完成，而这一成就只有在电化学膜反应器中才能实现。氢气萃取效率和废气增压的结合在他们的系统中同样也是前所未有的。未来的努力方向可能是提高氢通量，对于他们的电化学系统来说，这仍然是适度的，不需要考虑提取效率或压力指标。

当今，氢的主要应用是在石油炼制中，约占所有氢消耗的55%，而约93%的氢是由甲烷产生的。因此，甲烷蒸汽重整技术的进步可能会无意中延长全球对化石燃料的依赖。通过将更多的注意力集中在Clark等人展示的一种氢载体氨上，未来的电化学催化反应器可能会在不产生碳排放的情况下使用氢。

文章来源：《Science》

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