清洁能源的绿色氢创新

今天的可再生能源 – 主要来自太阳能或风能 – 依靠电池进行存储。虽然近年来成本有所下降，但对更有效的可再生能源储存方式的追求仍在继续。

“不幸的是，所有这些技术都有很长的路要走，”西北大学Walter P. Murphy材料科学与工程教授Sossina Haile SB ’86，PhD ’92在麻省理工学院最近的演讲中说。她是 2023 年秋季 Wulff 讲座的演讲者，该活动由材料科学与工程系 （DMSE） 主办，旨在点燃对该学科的热情。

为了增加可再生能源组合，并帮助加快实现可持续未来的步伐，海尔正在研究一种基于燃料电池中的氢的方法，特别是用于汽车中的环保燃料。燃料电池和电池一样，通过化学反应发电，但只要提供燃料，它们就不会失去电荷。

为了发电，氢气必须是纯净的，而不是附着在另一个分子上。如今，大多数制氢方法都需要燃烧化石燃料，这会产生地球加热的碳排放。海尔提出了一种“绿色”工艺，使用可再生电力从蒸汽中提取氢气。

当氢气用于燃料电池时，“你有水作为产品，这就是美丽的零排放，”海尔说，指的是启动的可再生能源生产周期。

氨为氢的潜力提供燃料

氢气尚未被广泛用作燃料，因为它难以运输。首先，它的能量密度低，这意味着需要大量的氢气来储存大量的能量。储存氢气具有挑战性，因为氢气的微小分子会渗入金属罐或管道，导致裂缝和气体泄漏。

Haile运输氢气的解决方案是使用氨来“携带”氢气。氨是三份氢气和一份氮气，因此氢气需要从氮气中分离出来，然后才能用于为汽车提供动力的燃料电池。

Haile说，氨具有一些优势，包括使用现有的管道和高传输能力 – 因此可以在任何给定时间传输更多的电力。

为了从氨中提取氢气，海尔制造了看起来很像燃料电池的装置，以磷酸二氢铯作为电解质。这种“超质子”材料显示出高质子电导率——它允许质子或带正电的粒子穿过它。这对于氢很重要，因为氢只有一个质子和一个电子。通过只让质子通过电解质，该装置从氨中剥离氢气，留下氮气。

海尔说，这种材料还有其他好处：“它价格低廉，无毒，地球丰富 – 当你考虑可持续能源技术时，所有这些好东西都是你想要的。

激发兴趣和希望

海尔的演讲激起了观众的兴趣，几乎填满了麻省理工学院的6-120礼堂，该礼堂可容纳约150人。

材料科学与工程专业的Nikhita Law在Haile的演讲中听到了对更可持续未来的希望。

“使我们的能源系统可持续发展的一个主要问题是找到储存可再生能源的方法，”Law说。即使氢动力汽车的规模不如锂电池驱动的电动汽车那么广泛，“一个永久性的储能站，我们将电力转化为氢气并将其转换回来，这似乎比开采更多的锂更有意义。

另一位DMSE学生，大四学生Daniel Tong在另一场研讨会上了解了运输氢气所涉及的挑战，并好奇地想了解更多。“这是我没有想到的：你能以不同的形式更有效地携带氢气吗？这真的很酷。

他补充说，像伍尔夫讲座这样的演讲有助于让人们了解材料科学和工程等广泛跨学科领域的最新情况，这些领域跨越化学、物理、工程和其他学科。“这是接触材料科学不同部分的一个非常好的方式。还有比你所知道的要多得多的方面。

在她的演讲中，海尔鼓励听众参与可持续发展研究。

“有很大的空间可以进一步了解和发现材料，”她说。

海尔最后强调了发展中国家在应对气候变化影响方面面临的挑战，特别是赤道附近的国家，那里没有足够的基础设施来应对降水和温度的大幅波动。对于那些没有动力去解决影响世界另一端人们的问题的人来说，海尔提供了一些额外的动力。

“我相信你们中的许多人都喜欢喝咖啡。这也将使咖啡作物处于危险之中，“她说。