海南大學(xué)團隊攻克海水直接制氫提鎂技術(shù)

位于海南省?？谑械暮Ｄ洗髮W(xué)協(xié)同創(chuàng )新中心實(shí)驗室內，一臺約半人高的銀灰色設備正在平穩運行。沒(méi)有復雜的預處理系統，一根管子直接連著(zhù)天然海水。隨著(zhù)電流接通，透過(guò)視窗可以清晰地看到：一邊咕嘟咕嘟冒氣泡——氫氣不斷生成;另一邊，白色的絮狀物緩緩沉淀——這是高純度氫氧化鎂持續析出。

這臺天然海水制氫提鎂工程樣機，已經(jīng)在天然海水環(huán)境中連續穩定運行超過(guò)5000個(gè)小時(shí)。

“過(guò)去，氫氣是主角，雜質(zhì)是廢料;如今，原來(lái)被視為‘廢料’的沉淀物變成了具有高附加值的礦產(chǎn)資源。”海南大學(xué)海洋清潔能源創(chuàng )新團隊負責人田新龍教授說(shuō)。

該團隊聯(lián)合中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，在直接電解天然海水制氫技術(shù)上取得突破性進(jìn)展，實(shí)現“一電兩用、一水雙收”。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。這一成果，為解決全球綠氫生產(chǎn)成本高昂、淡水資源消耗大的難題，提供了中國方案。

傳統的電解水技術(shù)高度依賴(lài)高純度淡水，若直接電解海水，其中復雜的離子成分，尤其是高濃度的鎂、鈣離子，會(huì )成為破壞設備的“元兇”。“就好比家里的燒水壺，時(shí)間久了壺底會(huì )結一層厚厚的水垢。”團隊成員封蘇陽(yáng)介紹，“在電解海水的過(guò)程中，這種‘結垢’現象更明顯。鎂離子會(huì )在電極表面迅速形成沉淀，短短幾小時(shí)就能讓電極失活，導致整個(gè)系統癱瘓。”

為了應對“結垢”，業(yè)界主流方案是“先淡化，后制氫”，即先把海水變成純凈水再電解。這種方案工藝流程長(cháng)、設備成本高，導致綠氫價(jià)格居高不下。

“為什么要把海水里的鎂離子‘趕走’，而不是收集起來(lái)?”面對電極上厚厚的白色沉淀，田新龍看到了轉機：海水中鎂離子儲量是陸地的數萬(wàn)倍，而氫氧化鎂是阻燃劑、航天材料的重要原料，市場(chǎng)價(jià)值較高。何不因勢利導，將制氫和“提礦”結合起來(lái)?

“提礦”的難點(diǎn)在于如何讓鎂離子析出，卻又不附著(zhù)在電極表面。歷經(jīng)4年攻關(guān)，團隊研發(fā)出一種新型電極材料。“我們在鉑電極表面添加了特定的碘離子，利用靜電排斥力的原理，給電極穿上了一層‘防護服’。”封蘇陽(yáng)介紹，電解反應中生成的氫氧化鎂無(wú)法在電極表面立足，只能遠離電極，呈絮狀自動(dòng)脫落沉淀。

技術(shù)走通了，經(jīng)濟成本劃算嗎?在實(shí)驗室的展示臺上，一瓶瓶白色粉末引人注目，這是經(jīng)過(guò)提純后的氫氧化鎂，純度可達99%以上。“以前生產(chǎn)1公斤氫氣往往需要幾十元的成本。使用新技術(shù)后，每生產(chǎn)1公斤氫氣，理論上可以聯(lián)產(chǎn)約15公斤的高純度氫氧化鎂。”田新龍說(shuō)，“通過(guò)‘一電兩用’，提取鎂產(chǎn)品的收益，基本可以覆蓋制氫的成本。”此外，這項技術(shù)在常溫天然海水中即可進(jìn)行，大大降低了工程應用的門(mén)檻。

從1平方厘米的微小電極片，到如今900平方厘米的大尺寸電極;從實(shí)驗室的瓶瓶罐罐，到正在攻關(guān)的更大功率工程樣機……在海南大學(xué)協(xié)同創(chuàng )新中心實(shí)驗室里，“一電兩用、一水雙收”逐漸從圖紙走向現實(shí)。

“我們將利用海上風(fēng)電提供綠電，‘就地取材’直接電解海水。”談及未來(lái)，團隊充滿(mǎn)信心：制取的綠氫可以合成綠色甲醇為洋浦港的遠洋船舶提供清潔動(dòng)力;而聯(lián)產(chǎn)的高純度氫氧化鎂，則有望在高端新材料產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮效用。