大學工程學院化學對于電解水制氫系統的新技術研發
太陽能，作為新興能源的代表，具有清潔、環保、可再生、易獲取、低成本等優勢。太陽一小時內照射到地球的能量，超過了人類一年使用的能量總和。可是，全世界僅少量的電力由太陽能產生，由此可見太陽能尚未得到充分應用。換句話說，太陽能的應用潛力十分巨大。因此，科學家們都希望通過一種經濟、可擴展和環境友好的方式利用太陽能，以滿足地球上日益增長的能源需求，這也成為了21世紀的重大挑戰之一。
目前，氫氣作為一種清潔燃料，已在美國NASA航天項目中用于推進火箭，而且被普遍認為未來將在可持續的能源中起到重要作用。如今，絕大多數的氫氣是通過一種稱為“甲烷水蒸氣重整”的工藝，從天然氣中提取出來，但缺點是它會同時釋放出二氧化碳。
然而，電解水也是產生氫氣的另外一種重要方法，而且不會生成二氧化碳。它將水(H2O)通過電流電解生成氧氣(O2)和可作為燃料的氫氣(H2)。電流通過水時，在陰極通過還原水形成氫氣;在陽極則通過氧化水形成氧氣，氫氣生成量大約是氧氣的兩倍。
一、哥倫比亞大學工程學院化學對于電解水制氫技術的創新
最近，哥倫比亞大學工程學院化學工程系助理教授 Daniel Esposito 的團隊，采用太陽能光伏電池產生的電力進行電解水，有望取代“甲烷水蒸氣重整”，成為制備氫燃料的下一代方法。該方法在制造氫氣的同時，不會產生任何相關的二氧化碳排放。
研究團隊開發出一種光伏供電的新型電解裝置。它可以作為獨立平臺，漂浮于開闊的水面上。這種浮動的光伏電解裝置，也可以被當成一種“太陽能燃料鉆井”，它與深海石油鉆井平臺有些相似，但是它會通過陽光和水產生氫氣，而不是從海床下方產生石油。
下圖是浮動的光伏電解裝置的并排示意圖：(左圖)獨立的光伏電解裝置原型漂浮于硫酸儲液器中。光伏電池位于“微鉆井”的頂部，將光線轉化為電力，為淹沒水下方的無膜電解裝置供電。產生的氫氣泡向上浮動，在裝置內被吸收，而氧氣泡則排向大氣中。(右圖)假想的大規模“太陽能燃料鉆井”在開放海域中運行，它使用環境中的太陽光將海水轉化為氫氣，然后臨時存儲于鉆井中，通過管道或者輪船運回岸上。
圖片來源：(左) Jack Davis(右) Justin Bui / 哥倫比亞大學工程學院
二、大學工程學院化學對于電解水制氫技術分析
研究人員創新的關鍵在于：他們通過電解水分離氫氣和氧氣的方法。目前先進的電解裝置是采用昂貴的薄膜來分離這兩種氣體。而哥倫比亞大學工程學院的裝置卻采用了一種新型電極配置，使得氣體分離開來，并采用水中氣泡的浮力來采集氣體。這種設計不僅保證了操作效率，而且生產出高純度的產品，還無需主動地泵送電解液。基于浮力浮上法分離原理，簡單的電解裝置架構就可以生產出純度高達99%的氫氣。
對于 Esposito 的光伏電解裝置的運作來說，新型電極配置至關重要，它包含網狀過流的電極，電極只有一面涂有催化劑。這些不對稱的電極促進了氫氣和氧氣的生成，生成氫氣和氧氣的反應只發生在電極的外表面上，因為那里才有催化劑。當氫氣和氧氣的氣泡變得足夠大時，浮力讓它們離開電極表面，上浮到上方獨立的采集器中。
圖片來源：Daniel Esposito / 哥倫比亞大學工程學院
團隊利用了哥倫比亞大學的靜室，將鉑電催化劑沉積到網狀電極上，而且利用哥倫比亞大學創客空間的3D打印機制造出各種反應器元件。他們也使用了一個高速視頻攝像頭監測氫氣和氧氣氣泡在電極之間的運輸，這個過程稱為“交換”。電極之間的交換是不受歡迎的，因為它降低了產品純度，也會導致安全隱患，而且需要進行下游分離，從而使得整個工藝變得更加昂貴。
為了監測氫氣和氧氣的交換事件，研究人員觀察了所有的電解裝置，以便在設備運行時，為電極生成的氣泡高速錄像。這些錄像達到了500幀每秒速率(一臺典型的iPhone手機捕捉視頻的速率可以達到30幀每秒)。
三、大學工程學院化學對于電解水制氫技術價值分析
Esposito 的太陽能燃料工程實驗室開發出太陽能和電化學技術，將可再生且豐富的太陽能資源轉化為可存儲的化學燃料。Esposito 表示，相對于現有的含膜裝置，他們的光伏電解裝置更便宜、更持久。因此，這種光伏電解裝置架構的簡單性(沒有隔膜和泵)，讓這項設計對于電解海水來說頗具吸引力。
他們相信這種原型設計首次演示了實用的無膜浮動光伏電解裝置系統，而且將為更大規模的“太陽能燃料鉆井”帶來靈感，這種裝置將利用太陽光和海水產生大量的氫氣燃料，而無需占用任何的陸上空間，也不會與農業使用的淡水產生競爭。
商用的電解裝置依賴于隔膜或者間隔物，將裝置內的電極與產生的氫氣和氧氣分離開來。大多數的電解裝置都采用了含膜裝置。這些隔膜和間隔物容易產生退化和失效，且需要非常高純度的水資源。海水含有雜質和微生物，很容易破壞這些膜。
論文的首作者、Esposito 的博士研究生 Jack Davis 表示，安全地演示一種無需隔膜的電解裝置，讓他們離電解海水的目標又更近了一步。從本質上說，這些太陽能燃料生成器是人工的光合作用系統，與植物的光合作用一樣。所以，他們的裝置將為產生干凈、可再生的能源提供各種機遇。
新技術對于電解水制氫的未來發展
為了使得該裝置在真實海水中更加高效，團隊對于這項設計也是精益求精。相對于他們實驗室研究中使用的更理想化的水系電解液，真正的海水帶來了更多挑戰。他們也計劃開發出模塊化的設計，以便于日后構建更大規模的系統。
