大学工程学院化学对于电解水制氢系统的新技术研发
太阳能，作为新兴能源的代表，具有清洁、环保、可再生、易获取、低成本等优势。太阳一小时内照射到地球的能量，超过了人类一年使用的能量总和。可是，全世界仅少量的电力由太阳能产生，由此可见太阳能尚未得到充分应用。换句话说，太阳能的应用潜力十分巨大。因此，科学家们都希望通过一种经济、可扩展和环境友好的方式利用太阳能，以满足地球上日益增长的能源需求，这也成为了21世纪的重大挑战之一。
目前，氢气作为一种清洁燃料，已在美国NASA航天项目中用于推进火箭，而且被普遍认为未来将在可持续的能源中起到重要作用。如今，绝大多数的氢气是通过一种称为“甲烷水蒸气重整”的工艺，从天然气中提取出来，但缺点是它会同时释放出二氧化碳。
然而，电解水也是产生氢气的另外一种重要方法，而且不会生成二氧化碳。它将水(H2O)通过电流电解生成氧气(O2)和可作为燃料的氢气(H2)。电流通过水时，在阴极通过还原水形成氢气;在阳极则通过氧化水形成氧气，氢气生成量大约是氧气的两倍。
一、哥伦比亚大学工程学院化学对于电解水制氢技术的创新
最近，哥伦比亚大学工程学院化学工程系助理教授 Daniel Esposito 的团队，采用太阳能光伏电池产生的电力进行电解水，有望取代“甲烷水蒸气重整”，成为制备氢燃料的下一代方法。该方法在制造氢气的同时，不会产生任何相关的二氧化碳排放。
研究团队开发出一种光伏供电的新型电解装置。它可以作为独立平台，漂浮于开阔的水面上。这种浮动的光伏电解装置，也可以被当成一种“太阳能燃料钻井”，它与深海石油钻井平台有些相似，但是它会通过阳光和水产生氢气，而不是从海床下方产生石油。
下图是浮动的光伏电解装置的并排示意图：(左图)独立的光伏电解装置原型漂浮于硫酸储液器中。光伏电池位于“微钻井”的顶部，将光线转化为电力，为淹没水下方的无膜电解装置供电。产生的氢气泡向上浮动，在装置内被吸收，而氧气泡则排向大气中。(右图)假想的大规模“太阳能燃料钻井”在开放海域中运行，它使用环境中的太阳光将海水转化为氢气，然后临时存储于钻井中，通过管道或者轮船运回岸上。
图片来源：(左) Jack Davis(右) Justin Bui / 哥伦比亚大学工程学院
二、大学工程学院化学对于电解水制氢技术分析
研究人员创新的关键在于：他们通过电解水分离氢气和氧气的方法。目前先进的电解装置是采用昂贵的薄膜来分离这两种气体。而哥伦比亚大学工程学院的装置却采用了一种新型电极配置，使得气体分离开来，并采用水中气泡的浮力来采集气体。这种设计不仅保证了操作效率，而且生产出高纯度的产品，还无需主动地泵送电解液。基于浮力浮上法分离原理，简单的电解装置架构就可以生产出纯度高达99%的氢气。
对于 Esposito 的光伏电解装置的运作来说，新型电极配置至关重要，它包含网状过流的电极，电极只有一面涂有催化剂。这些不对称的电极促进了氢气和氧气的生成，生成氢气和氧气的反应只发生在电极的外表面上，因为那里才有催化剂。当氢气和氧气的气泡变得足够大时，浮力让它们离开电极表面，上浮到上方独立的采集器中。
图片来源：Daniel Esposito / 哥伦比亚大学工程学院
团队利用了哥伦比亚大学的静室，将铂电催化剂沉积到网状电极上，而且利用哥伦比亚大学创客空间的3D打印机制造出各种反应器元件。他们也使用了一个高速视频摄像头监测氢气和氧气气泡在电极之间的运输，这个过程称为“交换”。电极之间的交换是不受欢迎的，因为它降低了产品纯度，也会导致安全隐患，而且需要进行下游分离，从而使得整个工艺变得更加昂贵。
为了监测氢气和氧气的交换事件，研究人员观察了所有的电解装置，以便在设备运行时，为电极生成的气泡高速录像。这些录像达到了500帧每秒速率(一台典型的iPhone手机捕捉视频的速率可以达到30帧每秒)。
三、大学工程学院化学对于电解水制氢技术价值分析
Esposito 的太阳能燃料工程实验室开发出太阳能和电化学技术，将可再生且丰富的太阳能资源转化为可存储的化学燃料。Esposito 表示，相对于现有的含膜装置，他们的光伏电解装置更便宜、更持久。因此，这种光伏电解装置架构的简单性(没有隔膜和泵)，让这项设计对于电解海水来说颇具吸引力。
他们相信这种原型设计首次演示了实用的无膜浮动光伏电解装置系统，而且将为更大规模的“太阳能燃料钻井”带来灵感，这种装置将利用太阳光和海水产生大量的氢气燃料，而无需占用任何的陆上空间，也不会与农业使用的淡水产生竞争。
商用的电解装置依赖于隔膜或者间隔物，将装置内的电极与产生的氢气和氧气分离开来。大多数的电解装置都采用了含膜装置。这些隔膜和间隔物容易产生退化和失效，且需要非常高纯度的水资源。海水含有杂质和微生物，很容易破坏这些膜。
论文的首作者、Esposito 的博士研究生 Jack Davis 表示，安全地演示一种无需隔膜的电解装置，让他们离电解海水的目标又更近了一步。从本质上说，这些太阳能燃料生成器是人工的光合作用系统，与植物的光合作用一样。所以，他们的装置将为产生干净、可再生的能源提供各种机遇。
新技术对于电解水制氢的未来发展
为了使得该装置在真实海水中更加高效，团队对于这项设计也是精益求精。相对于他们实验室研究中使用的更理想化的水系电解液，真正的海水带来了更多挑战。他们也计划开发出模块化的设计，以便于日后构建更大规模的系统。
