易拉罐、海水、咖啡渣，只需這3樣就能高效、可持續制氫，這是麻省理工學院一個研究團隊日前提出的一項新技術，相關研究一經發布就引起熱議。據悉，麻省理工學院機械工程教授道格拉斯·哈特帶領的研究團隊研發的這項技術，旨在利用鋁和海水發生反應生產氫氣，整個過程實現更少排放，且制氫成本也頗具競爭優勢，如果加入一定量的咖啡因還能使制氫流程提速。
業內指出，該技術巧妙打通了“易拉罐回收”與“清潔制氫”之間的壁壘，在成本與環保維度上展現出令人矚目的雙重效益，不失為一種具有潛力的大規模制氫解決方案。
實現可持續閉環制氫
鋁是一種儲量豐富且性質穩定的材料，與水接觸時會發生簡單化學反應，產生氫氣和熱量。不過，鋁與水混合產生氫氣的前提是鋁需要處于純凈、暴露的狀態，但現實情況是，鋁一旦接觸到氧氣即暴露在空氣中，表面就會立即形成一層類似屏障的氧化層薄膜，阻礙進一步反應。
哈特團隊以此為突破口，找到一個打破氧化層的辦法，即利用鎵—銦合金去除氧化層使鋁呈純態，進而與海水發生反應并釋放出純氫。咖啡因帶來的提速則是意外之喜，哈特團隊在一次測試中偶然加入了咖啡渣，結果發現整個制氫流程顯著加快。最終研究顯示，只要加入一些低濃度咪唑即咖啡因中的一種活性成分，僅需5分鐘就可以實現與不加入低濃度咪唑2小時產生的等量氫氣。
麻省理工學院機械工程專業博士、該技術主要研究人員阿里·科姆巴吉表示：“使用鋁的主要優勢之一是其單位體積的能量密度，只需少量鋁就有望為氫燃料汽車提供大量動力。”
不過，推動“鋁—海”制氫技術規模化應用并實現成本效益和可持續性，需要大量鎵—銦合金，這種合金相對昂貴且較為稀有。“我們必須致力于在反應后回收這些合金。”阿里·科姆巴吉坦言，“幸運的是，海水是一種廉價且易得的離子溶液。利用離子溶液吸附并回收鎵—銦合金，幫助其沉淀成可舀出并重新利用的形式，從而形成一個可持續的閉環循環流程。再加上咖啡渣，反應速度比單純海水快得多。”
成本和環保均有優勢
從環境角度來看，鋁—海制氫技術遠低于基于化石燃料的灰氫生產。根據哈特團隊計算，該技術每生產1千克氫氣僅排放1.45千克二氧化碳，而每生產1千克灰氫則會排放11千克二氧化碳，如果優先使用再生鋁，碳足跡僅為原生鋁的5%。從成本角度來看，該技術可以比肩綠氫生產，不僅無需高溫、高壓或復雜提純，能耗還顯著低于電解水。哈特團隊指出，該技術生產成本僅9美元/千克，而且可以實現按需生產，減少不必要的浪費。
值得一提的是，該技術在制氫過程中還能產生勃姆石，這是一種具有出色絕緣性能和耐熱性能的化學物質，可廣泛應用于電子、能源、化工等多個領域，包括電子元件和半導體制造、鋰電池隔膜涂層材料等。顯然，這無形中又抵消了部分生產成本，還能進一步創造經濟價值。
截至目前，全球大部分氫氣產量仍來自灰氫，這帶來了不容小覷的排放量。油價網匯編數據顯示，全球氫氣生產每年產生9億噸二氧化碳排放，超過全球航空業約8億噸的排放量。
此外，氫能經濟效益仍然面臨挑戰。利用可再生能源生產的綠氫成本，幾乎是天然氣生產的灰氫的4倍。彭博新能源財經指出，目前全球已宣布和計劃中的制氫項目近1600個，但只有12%制氫工廠簽訂了購氫協議。
“沒有哪個理智的項目開發商會在沒有買家的情況下開始生產氫氣，也沒有哪個理智的銀行家會在不能合理確信有人會購買氫氣的情況下，向項目開發商放貸。”彭博新能源財經分析師馬丁·滕格勒表示。
“即產即用”模式可期
氫氣極易燃燒，且在空氣中濃度達到一定比例時，會形成爆炸性混合氣體，因此其為交通工具供能存在一定風險。鋁—海制氫技術無需持續運輸氫氣就能為交通工具供能，這無疑為氫氣安全應用帶來了更多可能。
哈特團隊提出了系統方案，首先將預處理后的鋁粒運輸到加油站，然后在加油站將鋁粒與海水混合，即可按需產生氫氣。這一方式不僅降低運輸成本，還減少運輸揮發性氣體所帶來的風險。1千克氫氣可驅動車輛行駛60—100公里。
眼下，哈特團隊正在設計一個可裝載約40磅鋁粒的小型反應器，可用于船舶或水下航行器。這些鋁粒主要由舊易拉罐和其他鋁制品回收制成，同時加入少量鎵—銦合金和咖啡因，通過吸入周圍海水發生反應產生氫氣，可為小型水下滑翔機供能約30天。
阿里·科姆巴吉表示：“這對船舶、水下航行器等海事應用來說非常有意義，因為海水隨處可得。同時，不必攜帶氫氣罐，只需運輸鋁作為‘燃料’，加入海水即可產生所需氫氣。”
這種“即產即用”的獨特供能模式，使其在氫能應用方面擁有更多靈活應用前景。對海運領域而言，通過開發工業級反應器探索萬噸級制氫產能，可以為大型遠洋船舶提供一種可行的零排放動力解決方案，助力海運業深度脫碳。對分布式供能而言，“鋁—海”制氫技術流程相對簡單，設備尺寸可靈活調整，非常適合在沿海社區、島嶼、港口等地構建分布式制氫站點，實現氫氣就地生產與即時使用。
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