在新的电解槽中，改进的离子传导膜(右边的黄色膜)可以在没有昂贵催化剂的情况下使水制氢。图片来源:余承金/洛斯阿拉莫斯国家实验室
目前用于水电解的电解槽价格昂贵，要么需要昂贵的催化剂，要么需要昂贵的金属外壳。最近，研究人员在《自然-能源》杂志上发表了一项研究，称他们已经生产了一种只需要廉价材料的电解槽。
根据《科学》，科学家早在200年前就知道如何将水分解成氢和氧。因为产生的混合物会爆炸，所以今天最常见的设置是用厚的多孔塑料板将阳极和阴极分开。研究人员还使用更便宜的金属催化剂，如镍和铁，来加速反应。
为了使水更好地通过设备传导离子，当今最常见的电解槽向水中添加高含量的氢氧化钾(koh)。在阴极或阳极，水分子分解成h+和oh-，h+与来自阴极的电子结合形成氢，oh-通过膜扩散到阳极或阳极，在那里反应生成氧和水。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的化学家Yu seung kim说，由于koh具有高度腐蚀性，工程师必须使用昂贵的惰性金属(如钛)来制造电解池。
这一缺陷促使研究人员在20世纪60年代开发了一种称为质子交换膜(pem)的电解池技术。在这项技术中，膜被设计成选择性地允许h+通过，质子交换膜的催化剂不在电极上，而是固定在膜的两端。在该装置中，阳极侧的催化剂将水分子分解成h+和oh-，后者立即与催化剂反应生成氧分子。阴极侧膜上的催化剂将h+转化为氢气。
因为oh-不会在质子交换膜中迁移，所以电解槽不需要高碱性条件。该装置中氢的生成速率通常是碱性装置中的五倍。然而，这些膜也有它们自己的缺点:仍然需要一些昂贵的耐腐蚀金属来承受质子传导膜产生的酸性条件。他们还需要铂和铱制成的催化剂，这些催化剂既昂贵又稀有。“根本没有足够的贵金属用于大规模制氢。”吉纳电化学公司的工程师徐辉说。
现在，金和他的同事，以及来自华盛顿州立大学的研究人员说，他们结合了这两种方法的优势。新开发的设备创造了一个高度碱性的环境来促进水的分解，但这是通过将催化剂附着在离子导电膜的相对表面来实现的。
与氢氧化钾一样，阴极侧的催化剂将水分子分解为h+和oh-，前者转化为氢气，后者通过阴离子交换膜(aem)。新装置的设计目的是创造一个高碱性的局部环境，加速oh-向阳极侧的运动，并与催化剂反应生成氧气。
设备隔膜附近的碱性条件允许电解槽依靠廉价和丰富的镍、铁和钼基催化剂分解水。由于碱性是局部的，电解槽可以由不锈钢制成。金和他的同事报告说，这种新设备比传统的碱性设备生产氢气快三倍，但仍然比商业质子交换膜电解槽慢。"将旧碱技术与薄膜质子交换膜技术相结合是我们前进的方向."许卉说。
(新一代电解槽原标题有望省钱且持久)(本文来自The Paper，更多原创信息请下载“The Paper”app)新闻推荐
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