释放氢气的潜力：小苏打作为可再生能源存储的关键

PNNL 的科学家们研究了一种地球上储量丰富的常见盐的有前途的特性。在一个温度持续升高的世界中，越来越多的共识要求能源的碳排放量为零或接近零。 这意味着通过从可再生资源中获取更多能源来超越煤炭、石油和天然气。

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最有前途的可再生能源载体之一是清洁氢，它是在没有化石燃料的情况下生产的。宇宙中最丰富的元素是氢，它存在于所有物质的 75% 中。 此外，一个氢分子有两个成对的原子——双子座双胞胎，既无毒又高度可燃。氢的燃烧潜力使其成为全球能源研究人员的一个有吸引力的课题。

在太平洋西北国家实验室 (PNNL)，一个团队正在研究氢作为储存和释放能量的介质，主要是通过破坏其化学键。 他们的大部分工作都与能源部 (DOE) 的氢材料高级研究联盟 (HyMARC) 有关。

PNNL 的一个研究重点与优化储氢有关，这是一个棘手的问题。 迄今为止，还没有完全安全、成本效益高且节能的大规模储存氢气的方法。

PNNL 研究人员最近与人合着了一篇论文，研究将小苏打溶液作为储存氢气的方法。 这项研究已经被英国皇家化学会出版的《绿色化学》杂志称为“热点论文”。 这意味着它有很多点击显示出兴趣。

PNNL 的氢基储存工作由美国能源部能源效率和可再生能源办公室 (EERE) 的氢和燃料电池技术办公室资助。 该研究推进了美国能源部的 H2@Scale 计划以及该机构的 Hydrogen Shot。

这篇新论文的两位主要作者是化学家和 PNNL 实验室研究员 Thomas Autrey 和他的同事 Oliver Gutiérrez，后者是使化学反应快速且具有成本效益的专家。

清洁氢作为一种能源有着广阔的前景。 例如，一种称为电解的过程可以将水分解成氢气和氧气。 在最好的情况下，电解能源将来自可再生能源，包括太阳能、风能和地热能。然而，有一个顽固的挑战：如何能够以更便宜的价格生产氢气。

为解决这个问题，美国能源部在 2021 年宣布了其 Energy Earthshots 计划，该计划包括六个步骤以支持清洁能源技术的突破。 首先推出的是 Hydrogen Shot，旨在在十年内将氢的成本从每公斤 5 美元降低到 1 美元——降低 80%。

Autrey 说，除了降低清洁氢的生产成本外，“你还必须弄清楚如何移动和储存它，”这些步骤可以使价格回升。但一直难以找到理想的储氢介质。

氢气可以压缩成气体，但这需要非常高的压力——高达每平方英寸 10000 磅。 一个安全的储罐需要非常厚的钢壁或昂贵的太空级碳纤维。低温液氢怎么样？ 这是一种经过验证的存储介质，但需要获取并保持低温（-471 F 或 -279.4 C），因此外围能源成本很高。

最有希望的似乎是液体分子，经过优化以储存和释放氢气。 可持续能源专家杰米·霍拉迪 (Jamie Holladay) 最近指导了 PNNL 牵头的研究，以研究更简单、更有效的氢液化策略。

Gutierrez 说，使用这种液体作为存储介质的优势在于可以保留现有的能源基础设施，包括管道、卡车、火车和运输船。

想烤饼干吗？ 还是储存氢能？ 小苏打可能是门票。 这种温和、廉价的碳酸氢钠盐无毒且在地球上储量丰富。

不完全是小苏打。 PNNL 团队正在研究长期研究的碳酸氢盐-甲酸盐循环的氢能储存特性。 （甲酸盐是一种安全、温和的液态有机分子。）

它是这样工作的：甲酸离子（氢和二氧化碳）在水中的溶液携带基于非腐蚀性碱金属甲酸盐的氢。 离子在催化剂存在下与水反应。 这种反应会产生氢气和碳酸氢盐——奥特雷称赞的“小苏打”，因为它对环境几乎没有影响。

对压力进行适当的温和调整后，可以逆转碳酸氢盐-甲酸盐循环。 这为可以交替存储或释放氢气的水溶液提供了一个开关。

在小苏打出现之前，PNNL 储氢团队将乙醇视为液态有机氢载体，这是业界对储存和运输介质的统称。 同时，他们开发了一种释放氢气的催化剂。

催化剂是专门设计的添加剂，可以以节能的方式加速用于建立和破坏化学键的过程。

2023 年 5 月，对于一个与 PNNL 工作相关的项目，EERE 在两年内向华盛顿州里奇兰的 OCOchem 提供了 250 万美元的资金，用于开发一种从二氧化碳中制造甲酸盐和甲酸的电化学工艺。 该过程会将二氧化碳与位于水的标志性化学键 H2O 中的氢结合。

在刚刚开始的合作伙伴关系中，PNNL 将开发从 OCOchem 产品中释放氢气的方法。

在储氢研究领域，碳酸氢盐-甲酸盐循环引起了相当长一段时间的轰动。 毕竟，它是以丰富、不易燃、无毒的材料为基础的。

Autrey 说，这个循环是建立在一种非常温和的水性储存溶液上的，它“看起来像水”。 “你可以用它来灭火。”

但要使甲酸盐-碳酸氢盐成为一种可行的氢能储存方式，研究人员仍必须开发经济上可行的方案。 到目前为止，该技术的氢储存量仅为每立方米 20 公斤，而液态氢的行业标准为 70 公斤。

Autrey 说，更根本的是，研究人员需要对所需的电化学和催化有系统级的了解。 在工程学方面，迄今为止，可行的碳酸氢盐-甲酸盐循环的想法技术准备水平较低。

从好的方面来说，PNNL 正在考虑的盐溶液在与水反应时会释放氢气。 它们还在中等温度和低压下运行。

至少在理论上，正如 Autrey 和 Gutiérrez 在他们 2023 年的论文中所描述的那样，碳酸氢盐-甲酸盐循环代表了“一种可行的氢能源储存和运输绿色替代方案”。

小苏打的想法也是 2023 年论文所称的“几个紧迫的科学挑战”的核心。

其中包括如何从捕获的过量二氧化碳中制造储氢介质。 甚至使用相同的介质来存储电子，这为直接甲酸盐燃料电池提供了希望。

此外，PNNL 的工作可以为水（水）相中的催化提供见解。 目前，PNNL 团队正在使用钯作为他们的候选催化剂。 他们的努力包括寻找使稀有金属更稳定、可重复使用和寿命更长的方法。

Autrey 说，总而言之，小苏打的想法对于储氢来说“是一种令人惊奇的闪亮事物，令人兴奋的是各种可能性。”

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