PNNL的一个研究小组提出了一种基于小苏打化学的储存和释放清洁能源的安全途径。图片来源:太平洋西北国家实验室Shannon Colson合成图片
PNNL的科学家们研究了一种常见的、地球上丰富的盐的有希望的特性。
在全球气温持续升高的情况下，越来越多的人达成共识，要求能源零碳排放，或接近零碳排放。这意味着从可再生能源中获取更多的能源，而不仅仅是煤炭、石油和天然气。
最有前途的可再生能源载体之一是清洁氢，它不需要化石燃料。
这是一个很有希望的想法，因为宇宙中最丰富的元素是氢，占所有物质的75%。此外，一个氢分子有两个成对的原子——双子座双胞胎，它们既无毒又极易燃烧。
氢的燃烧潜力使它成为世界各地能源研究人员的一个有吸引力的课题。
在太平洋西北国家实验室(PNNL)，一个团队正在研究氢作为储存和释放能量的媒介，主要是通过破坏它的化学键。他们的大部分工作都与能源部(DOE)的氢材料高级研究联盟(HyMARC)有关。
氢储存尚未优化
PNNL的一个研究重点涉及优化氢储存，这是一个棘手的问题。到目前为止，还没有完全安全、经济、高效的大规模储存氢的方法。
PNNL的研究人员最近共同撰写了一篇论文，研究了小苏打溶液作为储存氢的方法。这项研究已经被英国皇家化学学会出版的《绿色化学》杂志称为“热门论文”。这意味着它有很多点击显示出兴趣。
化学家Tom Autrey说。图片来源:Andrea Starr |太平洋西北国家实验室
PNNL的氢基储存工作由美国能源部能源效率和可再生能源办公室(EERE)的氢和燃料电池技术办公室资助。这项研究推进了美国能源部的[email protected]计划以及该机构的氢弹计划。
这篇新论文的两位主要作者是化学家兼PNNL实验室研究员Thomas Autrey和他的同事Oliver guti
“你必须有点创意，”Autrey说，他觉得小苏打很常见，便宜，温和，可以解决一个大问题。“不是每一种化学物质都能有效地储存氢。你必须利用大自然给你的东西。”
满足长期能源需求的清洁氢
Autrey、gutisamurez和PNNL的其他人认为，长期储能是氢作为可再生能源载体未来的关键。
目前的电池技术是为几个小时的存储而设计的。在可再生能源电网中，电池可以处理大约80%的存储需求。
但是“最后的20%将采取独特的方法，”Autrey说。“我们要把多余的能量储存起来，为迎接邓克尔弗劳特做好准备。”
化学工程师Oliver gutisamurez说。图片来源:Andrea Starr |太平洋西北国家实验室
这是一个德语词，描述的是没有足够的太阳能和风能潜力的情况。在Dunkelflaute黑暗无风的时期，电网需要一种方法来储存能量，而不仅仅是几个小时。
像这样的季节性储存能力是氢的吸引力之一。氢气储存可以在任何地方发生——正如专家所说，它是“地理上不可知的”——这一事实也是如此。例如，水力发电需要不同的海拔来储存多余的水来发电。氢气储存不需要与地理有关的特殊条件。
此外，Autrey说，随着规模变大，氢变得更加经济。买几个额外的储氢罐比买很多电池要便宜。
寻找储存氢的最佳方式
清洁氢作为一种能源有着巨大的前景。例如，一种叫做电解的过程可以把水分解成氢和氧。在最好的情况下，电解的动力将来自可再生能源，包括太阳能、风能和地热。
然而，有一个顽固的挑战:更便宜地生产氢。
为了解决这个问题，美国能源部在2021年宣布了“能源地球计划”(Energy Earthshots)，该计划分为六个步骤，旨在资助清洁能源技术的突破。首先推出的是氢弹计划(Hydrogen Shot)，其目标是在十年内将氢的成本从每公斤5美元降至1美元，即降低80%。
奥特里说，除了降低清洁氢的生产成本外，“你还必须弄清楚如何运输和储存它”，这些步骤可以使价格回升。
但找到理想的储氢介质一直是难以捉摸的。
氢可以被压缩成气体，但这需要非常高的压力——高达每平方英寸1万磅。一个安全的储罐需要非常厚的钢壁或昂贵的太空级碳纤维。
那么低温液态氢呢?这是一种经过验证的存储介质，但需要获得并保持低温(-471华氏度，或-279.4摄氏度)，外围能源成本很高。
似乎最有希望的是液体分子，它们被优化为储存和释放氢。可持续能源专家杰米·霍拉迪(Jamie Holladay)最近指导了pnnl领导的一项研究，研究更简单、更有效的氢液化策略。
古铁雷斯说，使用这种液体作为储存介质的优点是可以保持现有的能源基础设施，包括管道、卡车、火车和运输船。
碳酸氢盐-甲酸盐循环
想烤饼干吗?或者储存氢能?小苏打可能是解决问题的良方。这种温和、廉价的碳酸氢钠是无毒的，而且在地球上储量丰富。
确切地说不是小苏打。PNNL团队正在研究长期研究的碳酸氢盐-甲酸循环的氢能量储存特性。(甲酸盐是一种安全、温和的液体有机分子。)
它的工作原理是这样的:甲酸离子(氢和二氧化碳)在水中的溶液中携带基于非腐蚀性碱金属甲酸盐的氢。离子在催化剂的作用下与水发生反应。这种反应会产生氢气和碳酸氢盐——奥特里所推崇的“小苏打”，因为它对环境没有影响。
只要适当适度地调整压力，碳酸氢盐-甲酸盐的循环就可以逆转。这为水溶液提供了一个开关，可以交替储存或释放氢。
在小苏打出现之前，PNNL的储氢团队将乙醇视为液态有机氢载体，这是该行业存储和运输介质的总称。同时，他们开发了一种释放氢的催化剂。
催化剂是一种经过精心设计的添加剂，它能以一种节能的方式加速化学键的生成和断裂过程。
2023年5月，在一个与PNNL相关的项目中，EERE在两年内向华盛顿州里奇兰的OCOchem公司提供了250万美元的资金，用于开发一种从二氧化碳中提取甲酸和甲酸的电化学工艺。这个过程将把二氧化碳和水的标志性化学键H2O中的氢结合起来。
在刚刚开始的合作中，PNNL将开发从OCOchem产品中释放氢的方法。
“看起来像水”的储氢装置
在储氢研究领域，碳酸氢盐-甲酸盐循环已经引起了相当长一段时间的关注。毕竟，它是基于丰富，不易燃，无毒的材料。
Autrey说，这个循环是建立在一种温和的水储存溶液上的，它“看起来像水”。“你可以用它来灭火。”
但是，为了使甲酸-碳酸氢盐成为一种可行的储存氢能源的手段，研究人员仍然必须开发经济上可行的方案。到目前为止，该技术仅能储存每立方米20千克的氢，而液态氢的工业标准为每立方米70千克。
Autrey说，更根本的是，研究人员需要对所需的电化学和催化有系统级的了解。在工程术语中，迄今为止，一个可行的碳酸氢盐-甲酸盐循环的想法在技术上的准备水平很低。
“如果我们解决了催化问题，”他补充说，“我们可能会获得一些真正的兴趣。”
“一个惊人的闪亮的东西”
从好的方面来说，PNNL正在考虑的盐溶液在与水反应时会释放氢。它们也可以在中等温度和低压下工作。
至少在理论上，正如Autrey和guti
小苏打的想法也与2023年那篇论文所说的“几个紧迫的科学挑战”有关。
其中包括如何从捕获的多余二氧化碳中制造储氢介质。甚至使用相同的介质来存储电子，这为直接甲酸燃料电池提供了希望。
此外，PNNL的工作可以为水相催化提供见解。目前，PNNL团队正在使用钯作为他们的候选催化剂。他们的努力包括寻找使这种稀有金属更稳定、可重复使用和更长寿的方法。
奥特里说，总而言之，小苏打的想法对于储氢来说“是一件神奇的闪亮的事情”。“令人兴奋的是这些可能性。”
参考文献:《利用地球上丰富的材料进行长期能量储存:碳酸氢盐/甲酸盐的电化学和热化学循环》，作者:Oliver Y. gutioxidrez、Katarzyna Grubel、Jotheeswari Kothandaraman、Juan A. Lopez-Ruiz、Kriston P. Brooks、Mark E. Bowden和Tom Autrey, 2023年3月29日，《绿色化学》。DOI: 10.1039 / D3GC00219E
