寻找从水中提取氢燃料的更佳方法

: By 彼得·拜尔利，加州大学河滨分校

水中的氢气9 9

通过加州的氢能发电站，以日本新款乘用车与便携式氢燃料电池对于电子产品而言，氢气作为一种零排放燃料，如今终于成为普通消费者的现实选择。当氢气与氧气在一定条件下结合时，催化剂氢释放能量并与氧结合形成水。

此两大难题阻碍我们拥有氢能的一切因素是存储目前，氢气的生产能耗高且成本昂贵。通常，工业制氢需要高温、大型设施和大量的能源。事实上，氢气通常来源于天然气等化石燃料，因此并非真正的零排放燃料。降低制氢成本、提高制氢效率和可持续性，将极大地推动氢气成为更广泛使用的燃料。

水是氢气的绝佳来源，而且储量丰富。但从化学角度来看，这需要逆转氢气与其他化学物质结合时释放能量的反应。这意味着我们必须向化合物中注入能量，才能提取出氢气。最大限度地提高这一过程的效率，将是迈向清洁能源未来的一项重大进展。

一种方法是将水与一种有用的化学物质（催化剂）混合，以减少打破氢原子和氧原子之间键所需的能量。目前有几种很有前景的制氢催化剂，包括硫化钼我的研究重点是改变硫化钼的分子性质，使其反应更加有效和高效，具体研究对象包括石墨烯和硫酸镉。

制氢

氢是宇宙中最丰富的元素但氢气很少以纯氢的形式存在。它通常会与其他元素结合，形成大量的化学物质和化合物，例如甲醇等有机溶剂以及人体内蛋白质。纯氢（H₂）可以作为一种便于运输且高效的燃料。

这里有生产氢气的几种方法可用作燃料。电解法利用电能将水分解成氢气和氧气。蒸汽甲烷重整该方法以甲烷（四个氢原子与一个碳原子结合）为原料，通过加热甲烷，将氢与碳分离。这种高能耗方法通常是工业生产氢气的主要方式，氢气用于生产氨或炼油等用途。

我主要关注的方法是：光催化水分解借助催化剂，将水“分解”成氢气和氧气所需的能量可以由另一种丰富的资源——光——提供。当水和催化剂的适当混合物暴露在光照下时，就能同时产生氧气和氢气。这对工业界来说极具吸引力，因为它使我们能够利用水作为氢气的来源，而不是使用污染严重的化石燃料。

了解催化剂

就像并非两个人在同一部电梯里都会开始交谈一样，有些化学反应并非仅仅因为两种物质接触就会发生。水分子在能量的作用下可以分解成氢气和氧气，但所需的能量远大于反应产生的能量。

有时候，需要第三方才能促成反应。在化学中，这被称为催化剂。从化学角度来说，催化剂可以降低两种化合物反应所需的能量。有些催化剂只有在光照下才能发挥作用。这些化合物，例如二氧化钛，就是…… 称为光催化剂.

加入光催化剂后，分解水所需的能量显著降低，最终反而能获得能量收益。我们还可以添加另一种物质——助催化剂，进一步提高分解效率。在制氢反应中，助催化剂能够改变反应的电子结构，从而提高制氢效率。

目前，还没有商业化的氢气生产系统采用这种方法。部分原因是成本问题。我们发现的最佳催化剂和助催化剂虽然能有效促进化学反应，但价格非常昂贵。例如，第一个有前景的组合——二氧化钛和铂——于1972年被发现。然而，铂是一种非常昂贵的金属（每盎司价格远超1,000美元即使是另一种有用的催化剂铼，每盎司价格约为70美元像这样的金属在地壳中非常稀少，因此它们显得尤为珍贵。不适用于大规模应用即使目前正在开发一些流程来回收这些材料.

寻找新的催化剂

好的催化剂需要满足许多要求，例如可回收利用，以及能够承受反应过程中产生的高温高压。但同样重要的是催化剂的常见程度，因为最丰富的催化剂往往也是最便宜的。

硫化钼（MoS₂）是最新颖、最有前景的材料之一。由于它由钼和硫两种元素组成——这两种元素在地球上都相对常见——因此它比传统的催化剂便宜得多。远低于每盎司一美元它还具备正确的电子特性和其他属性。

20世纪90年代末之前研究人员发现，硫化钼在将水转化为氢气方面效率并不高。但这主要是因为研究人员使用的是厚块的硫化钼，也就是它从地下开采出来时的状态。然而，如今我们可以使用诸如……之类的工艺。化学气相沉积 or 基于解决方案的流程能否制造出更薄的 MoS₂ 晶体？——甚至薄到单个分子的厚度——这种晶体在从水中提取氢方面效率更高。