隨著全球氣溫變暖逐步呈現(xiàn)加速態(tài)勢，人們越發(fā)關(guān)注起新能源來。作為一種極具潛力的新能源，氫能受到重視：氫能燃燒后生成產(chǎn)物只有水，沒有任何二次污染。

如今，多數(shù)氫氣來自化石燃料，這會(huì)導(dǎo)致如同二氧化碳等副產(chǎn)品排放。電解水技術(shù)則能有效規(guī)避溫室氣體生成，徹底做到可再生、無污染。

目前最廣為好評的氫氣生產(chǎn)技術(shù)是 PEMEs （質(zhì)子交換膜電解槽，proton exchange membrane electrolyzers）技術(shù)。這種高分子分離膜適用于各類充電解決方案，質(zhì)子運(yùn)動(dòng)令正負(fù)電荷分離：陰極帶有負(fù)電荷，陽極帶有正電荷，電極上分別生成氫氣和氧氣。兩種單質(zhì)被高分子分離膜相隔絕，這樣一來使得純凈氫氣可以大量生產(chǎn)。

但別高興得太早——由于貴金屬催化劑的參與，PEMEs 技術(shù)過于昂貴。雖說較高的電力負(fù)荷能在一定程度上抵消這種催化劑成本，但，電力負(fù)荷過高以后，氫、氧與催化顆粒會(huì)催生出活性氧（reactive oxygen species, ROS），繼而降低高分子分離膜的產(chǎn)能。

若是降低電力負(fù)荷，氫氣氧氣生成速率會(huì)和它們擴(kuò)散通過高分子分離膜的速率相接近，這樣一來效率也隨之降低。無法得到純凈的氫氣也算了，這樣得到的氫氧混合氣體非常危險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致燃燒甚至是爆炸。

好消息是，就在最近，研究人員已尋找到一條新路子，不僅減少了氫氧的混合，更有效提升了貴金屬催化劑的效率。

這項(xiàng)技術(shù)名為“電子耦合質(zhì)子緩沖（electron-coupled proton buffer, ECPB）”，可以在單獨(dú)的隔間各自生成氫氣和氧氣。他們引入某種化學(xué)物質(zhì)，該物質(zhì)在失去兩個(gè)電子的同時(shí)，從電極獲得兩個(gè)質(zhì)子。緊接著，化學(xué)物質(zhì)被輸送到單獨(dú)的隔間，以氧化劑的角色進(jìn)行氧化還原反應(yīng)并獲得兩個(gè)電子，繼而生成單質(zhì)氫。（氫氣分子由兩枚氫原子組成，包含兩枚質(zhì)子和兩枚電子。）

這種分開隔間的方法有如下優(yōu)勢：它使得在常壓下生產(chǎn)的氫效率增加，同時(shí)減少電解池中氫氣生成量，總體上將氧氣生成量降到最低，乃至減少了高分子分離膜的折耗。

這種神奇的化學(xué)介質(zhì)叫做硅鎢酸（H4[SiW12O40]）。水分子在陽極分解為氧原子核與氫原子核（即質(zhì)子），質(zhì)子停留在溶液中向陰極移動(dòng)，電子與質(zhì)子通過硅鎢酸介質(zhì)進(jìn)入到隔間，在隔間中接受氧化，最終生成氫氣分子。

研究人員已試驗(yàn)在密閉電解池內(nèi)用硅鎢酸介質(zhì)搭載氫氣，陽極使用含鉑或碳的材料，陰極使用碳材料。介質(zhì)還可在密封反應(yīng)瓶以簡化形式運(yùn)作，金屬箔可以催化析氫。

比起目前的高分子分離膜系統(tǒng)，碳基貴金屬催化劑的最大產(chǎn)氫率大了 30 倍。此外，通過比較能量的輸出和輸入測定了介導(dǎo)的電化學(xué)過程效率，發(fā)現(xiàn)比起缺少介質(zhì)時(shí)候高了 16%?？傮w上比當(dāng)前的高分子分離膜效率高了 63%。而在經(jīng)過九輪循環(huán)后，介質(zhì)仍保持穩(wěn)定。這些結(jié)論綜合起來，可以得出：無論在成本上抑或是效益上，新系統(tǒng)比起現(xiàn)有的 PEMEs 更有優(yōu)勢。以及，這一系統(tǒng)生成氫氣的純度高，氫氣樣品中的氧氣含量也低于檢出限。

更有甚者，人們故意將 10% 的氧氣引入到隔間后，氧氣也會(huì)徹底消失——與減少的介質(zhì)反應(yīng)，生成水與再氧化介質(zhì)。

可見，該系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)，更提升了反應(yīng)過程的安全性，氫氧混合氣體再也不會(huì)生成，避免釀成慘劇。

Science, 2014. DOI: 10.1126/science.1257443  (About DOIs).

VIA ArsTechnica

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