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这篇文章是来源于最新发布在Science杂志，第 387 卷，第 6732 期，2025年1月25日
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https://www.science.org/content/article/will-new-generation-water-splitting-devices-help-green-hydrogen-replace-fossil-fuels
水的分离
绿色氢能是世界脱碳的关键。但是，制造它的昂贵、挑剔的设备需要大幅改进
位于西班牙 Puertollano 的绿色氢气工厂是欧洲最大的绿色氢气工厂
目前，北美最大的利用可再生能源生产氢气的工厂的生产很糟糕。在加利福尼亚州弗雷斯诺附近的 SoHyCal 工厂，Bar 20 奶牛场 7000 多头奶牛的粪便被输送到一个有盖的泻湖，在那里细菌将大部分粪便转化为富含甲烷的沼气，通过燃料电池发电。其中一些电力被分流到 SoHyCal 的电解槽，这是一种轨道车大小的装置，可将水分解成氢气和氧气。结果：每天大约有 300 公斤的“绿色”氢气，用于为两辆弗雷斯诺城市公交车和少量当地氢燃料汽车提供动力。
该项目背后的西班牙公司 H2B2 美国分公司负责人 Pedro Pajares 说，今年，该工厂将开始从附近的太阳能发电厂获取额外的电力，将氢气产量提高到每天 1 吨。但至于扩大规模，Pajares 说，“我有担忧。
在加利福尼亚州弗雷斯诺附近的 SoHyCal 制氢厂，粪便中的沼气为燃料电池提供动力，燃料电池为电解槽提供绿色电力。
氢气经常被吹捧为绿色能源的未来，其诱惑力显而易见
。当燃烧或通过燃料电池运行时，燃料会产生水作为废气，而不是二氧化碳 （CO
2
).它的能量足够丰富，可以驱动半挂卡车、货船和其他难以用电池供电的重型车辆。挪威电解槽生产商 Nel Hydrogen 的水电解专家 Kathy Ayers 说，对于许多需要高温反应的工业过程，例如化肥生产和钢铁制造，
氢气基本上是化石燃料的唯一替代品。“如果我们要解决气候危机，低碳氢绝对是必不可少的。”
但是，如果 SoHyCal 的规模有任何迹象的话，那么这个未来还有很长的路要走。根据国际能源署的数据
，如果要到 2050 年将全球变暖限制在 1.5°C，世界每年需要生产超过 3 亿吨绿色氢气。
然而，如今，主要在欧洲和中国运营的绿色氢气工厂
每年仅生产 100 万吨。
“存在很大的不匹配，”Pajares 说。
产量微薄并不是因为氢是某种奇特的能源。
制造商已经生产了大约 9700 万吨这种物质，主要用于制造肥料和精炼油。但几乎所有的排放都来自蒸汽甲烷重整，而蒸汽甲烷重整远非绿色。
它使用高压蒸汽将甲烷（天然气的主要成分）分解成一氧化碳
2
和氢。每年，该工艺排放约 10 亿吨 CO
2
排放到大气中——相当于日本的排放量——以制造所谓的灰氢。
相反，绿色氢气来自由可再生电力驱动的电解槽。与 SoHyCal 一样，这些设备以高价格生产相对少量的氢气。但世界各国政府已开始推动扩大绿色氢的生产。例如，
本月早些时候，美国财政部敲定了针对绿色氢生产商每公斤 3 美元的税收抵免。与此同时，研究人员正试图降低电解槽的成本（约占绿色氢能成本的三分之一）并提高其效率
。仅美国能源部 （DOE） 就在这十年中拨款 10 亿美元用于改进电解槽技术。“钱就在那里，”艾尔斯说。“问题是我们真的能安装系统吗。”
在过去十年中，
绿色氢气的成本已经从每公斤氢气约 10 美元（相当于每 3.5 升汽油 10 美元）下降到今天的每公斤 5 美元左右
。2021 年，美国能源部
启动了一项“为地球奋斗”计划，旨在到 2026 年将价格降至每公斤 2 美元，到 2031 年降至每公斤 1 美元，届时它可以与灰氢竞争。美国能源部的目标包括：减少许多电解槽对昂贵的贵金属催化剂的需求，改进设备核心的膜以实现更快、更安全的氢气生产，并找到更适合太阳能和风电场可变电力供应的设计。“有很多创新即将到来，”加州大学伯克利分校的电解槽专家 Shannon Boettcher 说。“这种趋势与光伏和风能的进步非常相似。”
Boettcher 说，制造更好、更便宜的电解槽并不是绿色氢面临的唯一障碍。氢气不易冷却和压缩，因此需要大型管道和储存设施。为每年生产 3 亿吨氢气所需的电解槽提供动力，将需要超过 1 太瓦的廉价可再生电力，比目前全球安装的所有太阳能和风能都多。“很多事情必须放在一起，”Boettcher 说。
分解水的化学成分
是最简单的部分。它最早是由英国科学家在 230 多年前完成的。到 1890 年代，法国的工程师已经建造了一座电解厂，为军用飞艇生产氢气。几十年后，数百家这样的工厂（主要由水电站大坝提供动力）开始生产氢气来制造氨肥。但随着 1930 年代蒸汽甲烷重整的出现，制造氢气的成本直线下降。绿色氢气被灰色取代。
如今，多种电解槽技术正在争夺氢能市场再次绿色化。
最常见和商业上最成熟的版本被称为碱性水电解槽 （AWE）。它的工作原理有点像电池。将两个由多孔膜隔开的电极浸入含有促进离子移动的电解质的水中
。馈送到带负电的阴极的绿电将水分子分解成氢分子和带负电的氢氧根离子。氢氧根离子通过膜被吸入带正电的阳极，在那里它们反应形成氧气和少量的水。该膜减缓了氢和氧的混合，否则氢和氧可能会爆炸性地结合。数十个这样的电池并排堆叠在一起，形成整个电解槽。
AWE 的主要优点是涂覆电极以加速水分解的催化剂可能很便宜
，例如镍和不锈钢。但这种方法有局限性。如果提供的电流急剧下降，就像间歇性可再生能源一样，额外的氢气会穿过膜扩散到产生氧气的阳极，从而产生爆炸危险。另一个问题：AWE 的电极通常只能处理相对较小的电流。这意味着电极必须很大，尽管催化剂很便宜，但制造大量氢气的成本很高。
创新的调整可能会有所帮助。例如，在标准 AWE 中，产生的气体往往会在电极上形成气泡，从而阻碍其他水分子的分裂。但在 2022 年，卧龙岗大学的化学家 Gerhard Swiegers 和他的同事
提出了一种新设计
，该设计依赖于具有毛细管设计的膜，该膜将水和电解质从电池底部吸至两侧的电极。由于电极未浸没在液体中，因此不再是问题。该设计还允许在气体产生后立即将其分流，从而降低爆炸风险。
Swiegers 是初创公司 Hysata 的联合创始人，该公司构建了实验室规模的原型，展示了毛细管膜的卓越效率。大多数 AWE 需要 50 至 53 千瓦时 （kWh） 的电力来生产 1 公斤氢气，而 Hysata 的设备只需要 41.5 kWh，已经超过了国际可再生能源署为 2050 年设定的能效目标。“这是性能的巨大飞跃，”Hysata 的首席执行官 Paul Barrett 说。2024 年 5 月，该公司宣布已筹集 1.11 亿美元以扩大该技术的规模。
如果说碱性电池
是当前电解槽技术之王，那么质子交换膜 （PEM） 就是青少年的挑战者。在 PEM 细胞中，作用是相反的，不是从阴极开始，而是从阳极开始，阳极从水分子中拉出电子，将它们分裂成氧分子和质子。质子穿过膜到达阴极，在那里它们与可再生电力提供的电子相遇，产生氢分子。
与 AWE 的主要区别在于膜。它不是一个多孔的隔膜，而是一种致密的固体聚合物，由意大利面状分子和化学附件组成，可以很容易地像桶式旅一样将质子转移过膜。该膜不需要液体电解质，减少了氢交叉。最重要的是，PEM 设计通常可以处理更大、更可变的电流。这意味着更小、可能更便宜的电解槽可以产生相同数量的氢气。
但 PEM 电解槽也有其缺点。更高的电功率会破坏大多数金属催化剂。质子会产生进一步的腐蚀，从而产生高酸性热点。为了承受这些条件，PEM 电极涂有由铱制成的耐用催化剂，铱是一种极其稀有的金属，其成本是金的两倍。“没有足够的铱来发展 [该行业]，”西班牙巴塞罗那光子科学研究所 （ICFO） 的电解槽专家 Pelayo García de Arquer 说。更糟糕的是，这些膜通常由含氟聚合物制成，即所谓的 PFAS 材料，这种材料存在于环境中，在许多国家/地区正在逐步淘汰。
许多研究小组正在设计不含氟的新型 PEM 膜，以及需要较少铱的电极。PEM 电池通常依赖于氧化铱 （IrO
2
).但最近的理论工作表明，另一种化合物 IrO 中存在铱
3
）的反应性更强，可能允许化学家使用更少的量。Ryuhei Nakamura 和他的同事在 RIKEN 可持续资源科学中心合成了 IrO
3
并将其撒在氧化锰电极涂层上，仅使用 PEM 器件通常所需铱的 4%。
他们的电解槽以与顶级 IrO 基本相同的速度产生氢气
2
该团队去年在
《科学》
杂志上报告了超过 3000 小时没有退化迹象的设备。“我们已经在与公司合作扩大规模，”Nakamura 说。
其他 PEM 研究人员正在寻求提高钴和钨等廉价金属的耐用性和催化效率，希望完全取代铱。2024 年 6 月，García de Arquer 和他的同事报告说，
在碱性溶液中预处理钴钨催化剂有助于保护其免受酸性降解
，并以更具催化活性的排列稳定金属。结果：催化剂的产量跃升了五倍，几乎达到氧化铱的产量。“我们拥有最高的电流密度和最高的壬铱催化剂稳定性，”同样来自 ICFO 的合著者 Lu Xia 说。Boettcher 称这些结果“相当了不起”，但指出研究人员仍然需要证明替代催化剂可以与铱处理高电流的能力相匹配。
钴钨催化剂和 RIKEN 的 IrO
3
版本还有很多需要证明的地方。为了在商业上可行，水分解电极需要持续大约 10 年，而这两种催化剂的测试时间都超过几个月。“可能会有一些小精灵尘，可能就是这样，”Swiegers 谈到新选项时说。但就目前而言，“铱似乎是唯一一种与 PEM 长期有效的材料。
长期耐用性
也是第三种分水器阴离子交换膜 （AEM） 电解槽面临的主要挑战。这些新兴器件试图融合 AWE 和 PEM 设计的最佳功能。与 AWE 一样，它们将阴极产生的氢氧根离子通过膜运送到阳极，并且不需要贵金属催化剂或氟基膜。但与 PEM 设备一样，AEM 使用固体膜，旨在传导氢氧根离子而不是质子。这种组合可以使它们更便宜，并能够处理可再生能源的可变电力供应。
俄勒冈大学（University of Oregon）的化学工程师保罗·肯普勒（Paul Kempler）说，问题在于阳极的成氧催化剂还会促进反应，这些反应会“穿透”膜，导致它们在数周或数月内分解。但许多实验室正在探索提高膜耐久性的方法。例如，总部位于德国的 Enapter 公司用液体电解质加注水，创造一个防止腐蚀的环境。Enapter 首席执行官 Jürgen Laakmann 认为，这一调整将使膜能够持续十年。“我们的堆栈将与其他堆栈一样长，”他预测。
电解槽中产生氢气气泡。每年需要数亿吨才能实现气候目标
Boettcher 的小组有自己的保护膜的策略：在阳极上涂上一层薄薄的氧化铪。该涂层允许氢氧根离子穿过膜到达阳极，但是，由于它是绝缘体，它会阻止撕裂膜的电荷。在 2024 年 2 月 16 日的
ACS Energy Letters
中，Boettcher 的团队报告了
氧化铪层显着减缓了膜降解
。他称结果为“初步的”，但表示如果该策略在商业规模上有效，“这就是一项本垒打技术”。
绿色氢
需要多次本垒打。美国国家可再生能源实验室（U.S. National Renewable Energy Laboratory）电解槽研究负责人布莱恩·皮沃瓦（Bryan Pivovar）说，也许该行业面临的最大挑战是电价，电价约占绿色氢能成本的三分之二。Pivovar 说，如果没有补贴，无论电解槽多么便宜，以今天的电价来看，每公斤 1 美元的绿色氢价格是不可能的。根据美国能源部的绿色氢能路线图，要达到每公斤 1 美元，可再生电力成本需要下降 10 倍。“我们依靠太阳能、风能和公用事业行业来降低电价，”Ayers 说。
绿色氢不仅需要廉价的电力，而且需要更多的电力。美国能源部路线图称，要实现美国到 2030 年生产 3000 万吨的目标，需要安装约 200 吉瓦的新可再生能源容量，几乎是目前美国太阳能装机容量的两倍。
即使这一切发生，绿色氢气开始大量生产，制造商也将面临储存氢气并将其运送给客户的挑战。根据哈佛大学的 Roxana Shafiee 和 Daniel Schrag 于 2024 年 12 月在
Joule
上进行的分析，对于现有的氢用户，例如炼油厂，
运输和储存已经使每公斤天然气的成本至少增加了 2 美元
。因此，除非这些成本也下降——或者绿色氢工厂可以位于客户附近——否则无处不在的绿色氢的前景很渺茫。“氢可能是使某些经济部门脱碳的最佳方式，”Schrag 说。“但它比人们描绘的要贵得多。”
目前，所有这些现实都有助于解释为什么 SoHyCal 产生的氢气只够为两辆城市公交车提供燃料。但 Pajares 认为绿色氢能有发展势头。他的公司已经签署了一项协议，今年将在密歇根州启动一个类似的示范设施，并且还有其他六家美国工厂正在筹划中。“绿色氢还不是一种商品，”Pajares 说。但是，他认为，“它终于要继续存在了。
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