2月18日消息，瑞士洛桑联邦理工学院一化学科研团队日前发明了可以从空气中收集水并生产氢的技术设备，这是一种将半导体技术与新型电极相结合的系统，利用太阳能实现“空气制氢”。

瑞士洛桑联邦理工学院一化学科研团队日前发明了可以从空气中收集水并生产氢的技术设备，这是一种将半导体技术与新型电极相结合的系统，利用太阳能实现“空气制氢”，整个流程零排放。尽管关键材料和整体转换效率还有待进一步改进，但对于氢能闭环循环、高效转化的“制、储、运、用”全链条发展提供了新思路。

原型机可扩展且易于制造

洛桑联邦理工学院光电纳米材料分子工程实验室的化学工程师、首席研究员凯文·西沃拉领导的研究团队在国际期刊《先进材料》发表了研究成果，革新之处在于发明了一个新型气体扩散电极，这种电极透明、多孔且易导电，使得以太阳能为动力的技术能够将来自空气中的气态水转化为氢。

据了解，原型机的形状类似一片叶子，基地由毡制玻璃纤维组成的三维网格，其上涂了一层光收集半导体材料，因此有别于传统的对阳光不透明的电极层，这个“人造叶子”同时拥有半导体技术和新型电极的关键优势，透明性使其可以最大限度地暴露于阳光中，多孔性使其可以最大程度地与空气中的水接触。

西沃拉的研究团队建造了一个测试室，将“人造叶子”置于潮湿和充沛阳光之中，从空气和阳光中收集水生产氢气，相当于将阳光的能量以氢的形式储存起来。

西沃拉指出，这个新型气体扩散电极利用了光电化学电池（PEC）技术，其可制成直接储能的光电化学蓄电池，成为一种既能转换太阳光能又能进行能量储存的多途径转换太阳能的光电化学器件，而且半导体在电解液中界面液体结容易形成，可以广泛应用多晶、薄膜型半导体材料，因而具有制作工艺简便、价格低廉等特点。

目前来看，这个“人造叶子”是一个巧妙且简单的系统，可扩展且易于制备，但在实际应用中仍存在缺点，包括制造使用液体的大面积PEC设备较为复杂。

植物光合作用触发灵感

据了解，西沃拉的研究团队是从植物的光合作用中获取的灵感，其在进行可再生燃料的研究中发现，利用PEC技术从液态水和阳光中产生氢，是一种很有前途的人工光合作用材料。

新加坡国立大学教授汪磊指出，自然界的光合作用是万物生存的基石，人工光合作用的目标则是通过更简单的化学反应让太阳能或其他可持续能源以更快、更高效的方式转化成能量密度更高、应用更广泛的化学能源。也就是说，人工光合作用的终极目标就是直接利用太阳能，将水和二氧化碳转化产出液体燃料，同时确保成本经济性。

对此，西沃拉研究团队的成员之一、研究报告的主要撰写者玛丽娜·卡雷蒂表示：“实际上，我们开发原型机就面对了诸多挑战，包括必须为每一个步骤开发新的程序，但由于每一个步骤都相对简单且可扩展，这一科研成果仍然为更低的成本设计和制造更高效的人工光合作用设备指明了新方向。”

关键材料技术有待突破

不过，这个“空气制氢”的技术目前转换效率尚不确定，仍处于技术探索和经验积累阶段。因此，虽然原型设备和技术概念已经完成，但仍需要在关键材料方面实现进一步突破，才能具备推广价值和商业化落地。

据悉，原型机目前只能稳定工作大约一个小时，西沃拉的研究团队正在集中精力优化系统，包括完善纤维尺寸、改善孔径大小、测试半导体和膜材料等。

但即便如此，这个“空气制氢”概念仍然被视为绿色制氢技术的一个重要里程碑，因为只要在阳光充足、湿度足够的地方即可实现，甚至除了利用空气中的气态水，地下水、雨水、处理垃圾过程中得到的水都可以加以利用。该研究团队表示，实际上，如果不考虑成本和效率问题，即便是中学生也可以在室外完成这一制氢过程。目前的制氢技术会消耗大量能源，因此更绿色、更高效的制氢方式一直是业内追求的目标。成本方面，只有低于“灰氢”“蓝氢”“绿氢”的生产成本，才能凸显出“空气制氢”的商业价值。

英国物理学会杂志《物理世界》撰文称，瑞士化学科研团队提出的“空气制氢”技术一旦实现商业化推广，将在家庭供暖、汽车供电方面发挥关键作用。

“可持续的、低碳的社会，需要将可再生能源转化并储存为化学物质，以用作工业染料和原材料，我们的目标是寻求可实现商业化且具有经济竞争力的清洁能源生产方式。”西沃拉强调。

还有哪些“空气制氢”技术？

“空气制氢”技术大盘点

1、直接空气电解技术

去年9月，澳大利亚墨尔本大学的科学家在英国专业杂志《自然·通讯》上介绍了一种不需要水就能制氢的新技术。这种所谓的“直接空气电解（DAE）”方法只需要使用周围的空气作为原料。即便是在干旱地区，空气也总是含有少量水分。

研究员李刚（音）表示，即使在空气极度干燥的地方，这种方法也是可行的。DAE设备曾在空气湿度仅为4%的情况下，正常运行并制造出氢气。

这一实验使用的电能由太阳能电池提供。当然，如果使用的是来自风力发电设施的电能，这个设备也同样能良好运转。在研究人员结束实验前，5个被组装到一起的电解池模组连续运转了整整12天。研究人员称，每平方米阴极的单日制氢量为745升，效率达到95%。

报道称，这个空气电解池的核心部件是一块浸透了硫酸的海绵。硫酸不仅可充当电解质，本身还是一种吸水性极强的物质，可以从周围干燥的空气中大量吸收水分子，送入设备，进而分解出氢气和氧气。本次实验是在25摄氏度的气温下完成的。

由此基本可以证实，只要有风力或太阳能发电设备，即便是在世界上最干旱的地区，也可以利用空气制取氢气。研究人员称，整个地球大气层约含有13万亿吨水。

最后的问题在于，这项电解技术的制氢量是否具备经济效益。研究人员强调，他们的技术是可扩展的，也就是说，只需同时启动足够多的模组，就能达到期望的制氢量。

2、欧洲多样化的技术

在2019年的时候，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员就曾表示，他们已经开发出一种新技术，依靠太阳能小型装置，从阳光和空气中生产液态碳氢化合物燃料。“这种装置证明了碳氢燃料可以在现实的条件下由阳光和空气制成。”

该装置直接从空气中提取二氧化碳和水，并使用太阳能对其进行分解，得到包括氢气和一氧化碳混合物在内的合成气，随后将其加工成煤油、甲醇或其他烃类。

另外，荷兰基础能源研究所（DIFFER）与丰田汽车欧洲公司合作，试图开发一种装置，吸收潮湿空气中的水蒸气，利用太阳能将其分解为氢气和氧气。目前，研究人员已经开发出一种新型固态光电化学电池，能够从空气中捕获水，然后在阳光照射下产生氢气。

在比利时，鲁汶大学（KU Leuven）的生物科学工程师表示，他们已经制造出一种氢气面板，可以利用空气中的水分产生氢气。根据研究人员的说法，经过十年的发展，该小组现在每天可以生产250升的氢气。其中，20个这样的氢气面板可以为一个家庭在整个冬天提供电力和热能。

文章来源： 中国能源报，参考消息，中国石油报