从岩石中提取氢气

人们普遍认为，宇宙中最丰富的元素氢主要与其他元素并存——例如，水中的氧气和甲烷中的碳。但是，天然存在的纯氢地下储量正在这一概念中打孔，并作为一种潜在的无限无碳能源而引起人们的关注。
 
美国能源部（U.S. Department of Energy）上个月向来自实验室、大学和私营公司的18个团队提供了2000万美元的研究经费，以开发能够从地下获得廉价、清洁燃料的技术。
 
众所周知，地质氢是当水与富含铁的岩石反应时产生的，导致铁氧化。麻省理工学院助理教授Iwnetim Abate的研究小组是资助对象之一，他们将利用其130万美元的资助来确定在地下生产氢气的理想条件，并考虑引发化学反应的催化剂、温度、压力和pH值等因素。目标是提高大规模生产的效率，以具有竞争力的成本满足全球能源需求。
 
美国地质调查局估计，地壳中可能埋藏着数十亿吨地质氢。世界各地都发现了储藏，许多初创公司都在寻找可提取的矿床。Abate正在寻求启动天然制氢过程，实施“积极主动”的方法，包括刺激生产和收集天然气。
                                                                                                                         
“我们的目标是优化反应参数，使反应更快，并以经济可行的方式生产氢气，”材料科学与工程系（DMSE）奇普曼发展教授Abate说。Abate的研究重点是为可再生能源转型设计材料和技术，包括下一代电池和用于储能的新型化学方法。

激发创新

在世界各国政府寻求石油和天然气的无碳能源替代品之际，对地质氢的兴趣正在增长。去年12月，法国总统埃马纽埃尔·马克龙（Emmanuel Macron）表示，他的政府将提供资金来探索天然氢气。今年2月，政府和私营部门的目击者向美国立法者介绍了从地下提取氢气的机会。
 
如今，商业氢气的制造价格为每公斤2美元，主要用于化肥、化学和钢铁生产，但大多数方法涉及燃烧化石燃料，从而释放出加热地球的碳。用可再生能源生产的“绿色氢气”很有前途，但每公斤7美元，价格昂贵。
 
“如果你以每公斤一美元的价格获得氢气，那么在能源价格的基础上，它与天然气竞争，”能源高级研究计划局（ARPA-E）的项目主任道格拉斯·威克斯（Douglas Wicks）说，该机构是能源部领导地质氢资助计划的组织。
 
ARPA-E赠款的接受者包括科罗拉多矿业学院，德克萨斯理工大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室，以及包括Koloma在内的私营公司，这是一家从亚马逊和比尔盖茨获得资金的氢气生产初创公司。这些项目本身是多种多样的，从应用工业石油和天然气方法进行制氢和提取，到开发模型来了解岩石中氢的形成。目的：在威克斯所谓的“完全空白”中解决问题。
 
“在地质氢中，我们不知道如何加速它的生产，因为它是一种化学反应，我们也不真正了解如何设计地下，以便我们可以安全地提取它，”威克斯说。“我们正试图引入每个不同团队的最佳技能来解决这个问题，因为合奏应该能够在相当短的时间内给我们很好的答案。
 
地球化学家维亚切斯拉夫·兹戈尼克（Viacheslav Zgonnik）是天然氢领域最重要的专家之一，他同意未知数的清单很长，通往第一个商业项目的道路也是如此。但他表示，刺激氢气生产的努力——利用水和岩石之间的自然反应——呈现出“巨大的潜力”。
 
“我们的想法是找到加速反应并控制它的方法，这样我们就可以在特定的地方按需生产氢气，”总部位于丹佛的初创公司Natural Hydrogen Energy的首席执行官兼创始人Zgonnik说，该公司在美国拥有勘探钻探的矿产租约。“如果我们能够实现这一目标，这意味着我们有可能用受刺激的氢气取代化石燃料。

“一个完整的时刻”

对于Abate来说，与项目的联系是个人的。小时候在埃塞俄比亚的家乡，停电是家常便饭——每周有三天，也许四天都要熄灯。摇曳的蜡烛或排放污染物的煤油灯往往是夜间做作业的唯一光源。
 
“对于家庭来说，我们不得不使用木材和木炭来做家务，比如做饭，”阿巴特说。“这就是我的故事，一直到高中毕业，在我来美国上大学之前。
 
1987年，在西非马里钻探水源的挖井者发现了一个天然氢矿床，引发了爆炸。几十年后，马里企业家阿利乌·迪亚洛（Aliou Diallo）和他的加拿大石油和天然气公司开采了这口井，并使用发动机在附近的村庄燃烧氢气和电力。
 
放弃石油和天然气后，迪亚洛创办了世界上第一家氢气勘探企业Hydroma。该公司正在原址附近钻井，这些井产生了高浓度的天然气。
 
“因此，过去被称为能源匮乏的大陆现在正在为世界的未来带来希望，”阿巴特说。“了解这一点对我来说是一个完整的时刻。当然，这个问题是全球性的;解决方案是全球性的。但是，与我个人旅程的联系，加上来自我的家乡大陆的解决方案，使我个人与问题和解决方案联系在一起。

可扩展的实验

阿巴特和他实验室的研究人员正在制定一种流体的配方，这种流体将诱导化学反应，从而触发岩石中的氢气产生。博士后Yifan Gao说，主要成分是水，该团队正在测试催化剂的“简单”材料，这些材料将加速反应，从而增加氢气的产生量。
 
“有些催化剂非常昂贵且难以生产，需要复杂的生产或制备，”Gao说。“一种廉价且丰富的催化剂将使我们能够提高生产率——这样，我们就能以经济上可行的速度生产它，同时也具有经济上可行的产量。”
 
发生化学反应的富含铁的岩石遍布美国和世界各地。为了优化各种地质成分和环境中的反应，Abate和Gao正在开发一种他们所谓的高通量系统，该系统由人工智能软件和机器人技术组成，用于测试不同的催化剂混合物，并模拟应用于不同地区的岩石时会发生什么，具有不同的外部条件，如温度和压力。
 
“由此，我们测量每种可能的组合生产了多少氢气，”Abate说。“然后人工智能将从实验中学习，并向我们建议，’根据我所学到的和文献，我建议你测试这种岩石的催化剂材料的成分。
 
该团队正在撰写一篇关于其项目的论文，并计划在未来几个月内发表其研究结果。
 
在开发催化剂配方之后，该项目的下一个里程碑是设计一个具有两个目的的反应器。首先，配备拉曼光谱等技术，它将使研究人员能够识别和优化化学条件，从而提高制氢率和产量。该实验室规模的设备还将为真实世界的反应器的设计提供信息，该反应堆可以加速现场的氢气生产。
 
“这将是一个工厂规模的反应堆，将被植入地下，”阿巴特说。
 
这个跨学科项目还利用了麻省理工学院机械工程系和DMSE的Yang Shao-Horn的专业知识，用于催化剂的计算分析，以及康奈尔大学科学家Esteban Gazel的专业知识，他将提供他在地质学和地球化学方面的专业知识。他将专注于了解美国和全球富含铁的超基性岩层以及它们如何与水发生反应。
 
对于ARPA-E的Wicks来说，Abate和其他赠款接受者提出的问题只是未知能源领域的第一步，也是关键的一步。
 
“如果我们能理解如何刺激这些岩石产生氢气，安全地将其升起，它就会真正释放出潜在的能源，”他说。然后，新兴行业将把目光投向石油和天然气，以获得钻井、管道和天然气开采技术。“正如我想说的，这是一项使能技术，我们希望在很短的时间内，使我们能够说，’那里真的有什么东西吗？’”