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)濟上與化石燃料替代品具有競爭力，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(méi)有解決所有問(wèn)題，但如果這些系統能夠擴大規模，我們的系統將產(chǎn)生無(wú)害的氮氣，而不是有毒的硝酸鹽和亞硝酸鹽，而且這兩個(gè)系統都將比水分解系統節省 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。研究團隊表示，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，而他們能夠分解尿素。尿素作為氫載體，其熱力學(xué)分解勢壘低于水，僅為0.37 V。
在他們的第一項研究中，該團隊采用了一種無(wú)膜電解系統，該系統由銅基催化劑驅動(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，他們設計了第二個(gè)系統，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雖然采用了獨特的無(wú)膜系統和新型銅基催化劑，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(lèi)尿液解決了這個(gè)問(wèn)題，這是我們第二篇論文中研究的系統的基礎。”
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。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。這些反應會(huì )產(chǎn)生氯氣，腐蝕系統的陽(yáng)極，并影響其長(cháng)期功能。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員的第二個(gè)系統采用了氯介導的氧化機制，利用碳負載的鉑基催化劑改變反應途徑。
研究人員表示，這種方法不僅可以保護陽(yáng)極，還可以保持尿液高效產(chǎn)氫，并且基于鉑的系統每立方米氫氣的耗電量低至 4.05 千瓦時(shí)，優(yōu)于傳統的水電解(4.70-5.00 千瓦時(shí))。
他們表示：“這一突破的財務(wù)影響可能會(huì )改變綠色氫氣的格局。”并補充說(shuō)，計算表明，通過(guò)他們的系統生產(chǎn)的氫氣成本低于傳統上從化石燃料中提取的“灰色”氫氣。
研究人員表示：“基于該系統的工業(yè)規模無(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。”
該團隊目前正致力于構建完全無(wú)膜系統，既能回收綠色氫氣，又能修復富氮廢水。他們還承認，使用鉑作為催化材料是不可持續的，并致力于開(kāi)發(fā)非貴金屬替代品。
該研究發(fā)表在 《德國應用化學(xué)國際版》 和 《自然通訊》上。
