目前，電解水所用的電解槽價格昂貴，要么需要昂貴的催化劑，要么需要昂貴的金屬外殼。近日，研究人員在《自然—能源》發(fā)表研究稱，他們制造出一種只需要廉價材料的電解槽。

據《科學》報道，科學家早在200多年前就知道如何將水分解為氫氣和氧氣。因為產生的混合氣體會爆炸，如今最常見的設置是用一層厚的多孔塑料板將陽極和陰極分開。研究人員還使用較便宜的金屬催化劑加速反應，如鎳和鐵。

為使水能更好地傳導離子通過設備，今天最常見的電解槽在水中添加了高水平的氫氧化鉀(KOH)。在陰極或負極，水分子分解成H+和OH-，H+與來自陰極的電子結合形成氫氣，OH-通過膜擴散到陽極或正極，在那里它們發(fā)生反應生成氧氣和水。

美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室化學家Yu Seung Kim說，由于KOH具有很強的腐蝕性，所以工程師必須用昂貴的惰性金屬(如鈦)制造電解槽。

這一缺陷促使研究人員在20世紀60年代開發(fā)出一種被稱為質子交換膜(PEM)的電解槽技術。該技術中，隔膜被設計成選擇性地允許H+通過，PEM的催化劑不在電極上，而是被固定在膜的兩端。在這個裝置中，陽極一側的催化劑將水分子分解成H+和OH-，后者立即與催化劑反應生成氧分子。陰極側膜上的催化劑將H+轉化為氫。

因為OH-不會在PEM中遷移，因此電解槽不需要高堿性條件。這種裝置產生氫的速率通常是堿性裝置的5倍。但是這些膜也有自己的缺點：仍然需要一些昂貴的耐腐蝕金屬來承受質子傳導膜產生的酸性條件。它們還需要由鉑和銥制成的催化劑，這些金屬既昂貴又稀有。“根本沒有足夠的貴金屬用于大規(guī)模制氫。”Giner電化學公司工程師徐輝(音譯)說。

現在，Kim及其同事聯合華盛頓州立大學的研究人員表示，他們已經將這兩種方法的優(yōu)點結合起來，所研發(fā)的新裝置創(chuàng)造了一個高堿性的環(huán)境來促進水的分解，但它是通過將催化劑系在離子導電膜的相對表面上實現的。

和KOH一樣，陰極側的催化劑將水分子分解成H+和OH-，前者轉化為氫氣，后者通過陰離子交換膜(AEM)。新裝置的設計目的是創(chuàng)造一個高堿性的局部環(huán)境，加速OH-向陽極一側移動，并在催化劑的作用下反應生成氧氣。

該設備膜附近的堿性條件允許電解槽依靠廉價且豐富的鎳、鐵和鉬基催化劑來分解水。由于堿度是局部的，電解槽可以用不銹鋼制造。Kim及同事們報告說，這種新裝置產生氫氣的速度比傳統堿性裝置快3倍，但仍然比商業(yè)上的PEM電解槽慢。“將舊的堿法技術和薄膜PEM技術結合是我們前進的道路。”徐輝說。(辛雨)