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　　現在，美國能源部SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學、俄勒岡大學和曼徹斯特城市大學的合作者找到了一種方法，通過雙膜系統和電力將海水漏斗化，從海洋中提取氫氣。事實證明，他們的創新設計成功地產生了氫氣，而不會產生大量有害的副產品。他們的研究結果發表在近日的《焦耳》雜志上，可能有助于推動這種低碳燃料的生產。

　　“如今許多水制氫系統都試圖使用單層膜。我們的研究將兩個層面結合在一起，”SLAC-斯坦福聯合研究所SUNCAT界面科學與催化中心的副研究員亞當·尼蘭德說。“這些膜結構使我們能夠控制海水中離子在實驗中的移動方式。”

　　氫氣是一種低碳燃料，目前在很多方面都有應用，比如驅動燃料電池電動汽車，以及作為一種長時間儲能選擇——適合為電網儲存數周、數月或更長時間的能量。

　　許多生產氫氣的嘗試都是從淡水或海水淡化開始的，但這些方法既昂貴又耗能。處理過的水更容易處理，因為它有更少的物質——化學元素或分子——漂浮在周圍。然而，研究人員說，凈化水是昂貴的，需要能源，并增加了設備的復雜性。他們說，另一種選擇是天然淡水，除了是地球上更有限的資源外，它們也含有一些雜質，對現代技術來說是個問題。

　　為了處理海水，研究小組實施了一個雙極(兩層)膜系統，并使用電解對其進行了測試。他們通過控制對海水系統最有害的元素——氯化物來開始他們的設計，SLAC和斯坦福博士后研究員約瑟夫·佩里曼說。

　　佩里曼說：“海水中有許多活性物質會干擾水-氫的反應，而使海水變咸的氯化鈉是罪魁禍首之一。特別是，到達陽極并發生氧化的氯化物會縮短電解系統的壽命，而且由于氧化產物(包括分子氯和漂白劑)的有毒性質，實際上系統會變得不安全。”

　　實驗中的雙極膜可以獲得制造氫氣所需的條件，并減輕氯離子進入反應中心的風險。

　　佩里曼說，我們實際上是在研究加倍阻止氯化物反應的方法。

　　氫的家園

　　理想的膜系統有三個主要功能：從海水中分離氫氣和氧氣；有助于只移動有用的氫離子和氫氧根離子，而限制海水中的其他離子；并有助于防止不良反應。將這三種功能結合在一起是很困難的，團隊的研究目標是探索能夠有效結合這三種需求的系統。

　　具體來說，在他們的實驗中，質子，即正氫離子，通過其中一層膜，到達一個地方，在那里它們可以被收集起來，并通過與負電荷電極(陰極)相互作用變成氫氣。系統中的第二層膜只允許氯化物等負離子穿過。

　　斯坦福大學化學工程研究生、合著者丹妮拉·馬林說，作為額外的保障，其中一層膜含有固定在膜上的帶負電荷的基團，這使得其他帶負電荷的離子，如氯離子，更難移動到它們不應該去的地方。在研究小組的實驗中，這種帶負電荷的膜被證明可以高效地阻擋幾乎所有的氯離子，而且他們的系統運行時不會產生漂白劑和氯等有毒副產品。

　　研究人員說，除了設計海水-氫膜系統外，這項研究還提供了對海水離子如何穿過膜的更好的總體理解。這些知識也可以幫助科學家設計出更強的膜，用于其他用途，比如生產氧氣。

　　馬林說：“還有一些人對利用電解生產氧氣感興趣。了解我們雙極膜系統中的離子流動和轉化對這項工作也至關重要。除了在實驗中產生氫氣，我們還展示了如何使用雙極膜產生氧氣。”

　　接下來，該團隊計劃通過使用更豐富、更容易開采的材料來改進電極和膜。該團隊說，這種設計改進可以使電解系統更容易擴展到為能源密集型活動(如交通部門)生產氫氣所需的規模。

　　研究人員還希望將電解電池帶到SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)，在那里他們可以使用該設施的強X射線來研究催化劑和膜的原子結構。

　　SLAC和斯坦福大學教授、SUNCAT主任托馬斯•哈拉米略說，綠色氫技術的前景是光明的。“我們所獲得的基本見解是提高該技術性能、耐久性和可擴展性，這是未來創新的關鍵。”

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