海水中的各種元素，包括氫氣、氧氣、鈉和其他元素對地球上的生命來說是必不可少的。然而，當試圖為可持續能源應用分離氫氣時，這種錯綜複雜的化學構成構成了一個挑戰。最近，來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學、俄勒岡大學和曼徹斯特城市大學的一個科學家團隊發現了一種從海洋中提取氫氣的方法。他們通過將海水輸送到一個雙膜系統和電力來完成這一任務。

他們的創新設計被證明成功地產生了氫氣，而同時沒有產生大量的有害副產品。他們的研究結果最近發表在《焦耳》雜誌上，可以幫助推進生產低碳燃料的努力。

“今天許多水變氫系統試圖使用單層或單層膜。我們的研究將兩層膜結合在一起，”SLAC-斯坦福聯合研究所SUNCAT界面科學和催化中心的副研究員Adam Nielander說。”這些膜結構使我們能夠在實驗中控制海水中離子的移動方式。”

氫氣是一種低碳燃料，目前被用於許多方面，例如運行燃料電池電動汽車，以及作為一種長期的能源儲存選擇–一種適合儲存幾週、幾個月或更長的能源，可用於電網。

許多製造氫氣的嘗試從淡化水開始，但這些方法可能是昂貴的，而且是能源密集型的。處理過的水更容易操作，因為它有更少的化學元素漂浮在周圍。然而，研究人員說，淨化水過程是昂貴的，需要大量能源並增加了設備的複雜性。另一種選擇，即天然淡水也包含一些對現代技術來說有問題的雜質，此外，它還是地球上一種比較有限的資源。

為了使用海水，該團隊實施了一個雙極或兩層的膜系統，並使用電解進行測試，這是一種利用電力驅動離子或帶電元素來運行所需反應的方法。SLAC和斯坦福大學的博士後研究員Joseph Perryman說，他們的設計從控制對海水系統最有害的元素–氯化物開始。

Perryman說：”海水中有許多活性物種可以乾擾水到氫氣的反應，而使海水變鹹的氯化鈉是主要的罪魁禍首之一。特別是，到達陽極並氧化的氯化物將減少電解系統的壽命，並且由於氧化產物的毒性，包括分子氯和漂白劑，實際上可能變得不安全。”

實驗中的雙極膜允許進入製造氫氣所需的條件，並減輕氯氣進入反應中心的影響。

理想的膜系統將執行三個主要功能：從海水中分離氫氣和氧氣；只幫助移動有用的氫氣和氫氧根離子，同時限制其他海水離子；以及幫助防止不希望發生的反應。把這三者結合起來是很難的，該團隊的研究目標是探索能夠有效結合這三種需求的系統。

具體到他們的實驗中，質子，也就是正氫離子，通過其中一個膜層到達一個地方，在那裡它們可以被收集，並通過與一個帶負電的電極相互作用變成氫氣。系統中的第二層膜只允許負離子，如氯化物，通過。

斯坦福大學化學工程系研究生和共同作者Daniela Marin說，作為額外的後盾，一個膜層包含固定在膜上的帶負電的基團，這使得其他帶負電的離子，如氯化物，更難移動到它們不應該去的地方。事實證明，在該團隊的實驗中，帶負電荷的膜能高效地阻擋幾乎所有的氯離子，而且他們的系統在運行時不會產生漂白劑和氯氣等有毒副產品。

研究人員說，除了設計一個海水到氫氣的膜系統外，這項研究還提供了一個關於海水離子如何通過膜移動的更好的一般理解。這些知識可以幫助科學家為其他應用設計更強大的膜，例如生產氧氣。

“對於使用電解法生產氧氣也有一些興趣，”Marin說。”了解我們的雙極膜系統中的離子流和轉換對於這項工作也是至關重要的。在我們的實驗中生產氫氣的同時，我們還展示瞭如何使用雙極膜來產生氧氣。”

接下來，該團隊計劃通過使用更豐富和更容易開采的材料來改進他們的電極和膜。該團隊說，這種設計改進可以使電解系統更容易擴展到為能源密集型活動（如交通部門）產生氫氣所需的規模。

研究人員還希望將他們的電解池帶到SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL），在那裡他們可以利用該設施的強烈X射線研究催化劑和膜的原子結構。

“綠色氫氣技術的前景是光明的，”SLAC和斯坦福大學教授兼SUNCAT主任Thomas Jaramillo說。”我們正在獲得的基本見解是為未來創新提供信息的關鍵，以提高該技術的性能、耐久性和可擴展性。”