制氢新技术催生“手提式绿色能源”

    中国科学院地质科学研究院康振川博士和美国佐治亚理工学院王中林教授最近研制出新的制氢方法，使利用任何余热比如各种加热器、内燃机，甚至做饭的炉灶的余热及太阳能制造氢气成为可能。
    
     伊拉克战争的爆发让人们更为担心世界石油的供应。但早在２００２年，布什政府就启动了“氢经济行动计划”，准备在２１世纪将美国的经济逐步从对化石燃料的依赖转移到氢燃料上。
    
     就在伊拉克战争爆发前一个月，布什政府就宣布将增加１６亿美元来研发氢燃料、无污染的交通和运输动力设备。氢燃料内燃机已开始在美国实现。广泛使用氢燃料的最大壁障之一就是制氢技术。由于氢是最轻的气体，储存和运输问题较多。今天，９０％的氢由甲烷和水在８００～１７００℃下用催化剂通过热化学反应产生。但是过程复杂、设备庞大、温度高、能耗大。因此研发小型、低温，可用于加油站、住宅、内燃机的氢制备技术，成为了“氢经济”实现的关键。
    
     康振川和王中林最近联合在《高级材料》期刊上发表制氢新方法。他们采用新型氧化物材料“铁改性稀土高氧化物”，利用温度摆动７００℃～３００℃并配合甲烷和水汽交换实现了低温、无催化剂的制氢新方法，为“氢经济”实现提供了新的选择。这一方法把热化学反应分为两步，同时利用铁改性稀土高氧化物作为虚拟反应物来进行氢气制备：
    
     第一步，利用氧化物材料释放出的点阵氧来氧化甲烷而得到氢；第二步，利用水汽氧化该氧化物材料使其恢复原态，同时得到氢。恢复后的氧化物材料又可重复用于第一步反应，因此两步过程可以循环进行。和常用热化学反应相比，该发明的独特之处在于：氢气在中低温７００℃～３００℃的温度循环摆动下，在甲烷和水的交替变换过程中不断产生，达到节能目的；反应过程不需镍或铂作为催化剂，从而降低成本；消除了催化剂表面碳化的问题，使反应循环进行。
    
     从科技角度来看，具有“呼”在甲烷气氛下释放出点阵氧、“吸”在水汽气氛下从水分子吸取氧功能的新型氧化物催化剂，开辟了一个全新的研究领域。铁改性稀土高氧化物，既是５０年来稀土高氧化物研究的突破和结晶，又是表面科学与非化学整比化学的交叉与结合，同时还是新材料科学的一大进展。由稀土高氧化物非化学整比性决定的氧传递功能的关键，是稀土高氧化物表面稀土离子氧化和还原的难易。铁原子在稀土高氧化物表面的特殊作用，就是降低了稀土高氧化物表面稀土离子氧化和还原的势垒，从而在中低温下也具有良好的氧传递功能。
    
     调解和控制点阵氧的释放量，是氧化甲烷中的碳而获得氢的关键。释放量太多，形成水和二氧化碳；太少，碳黑将沉积在氧化物表面，从而限制了化学反应的进行。铁改性稀土高氧化物在中低温循环中，基本实现了变甲烷中碳为一氧化碳的有效控制，从而保证反应连续进行。
    
     目前技术条件下，太阳能电池还只能利用太阳辐射中的高能部分约占１０％的太阳能。合理利用太阳能，可以较容易地获得温度在７００℃～３００℃的加热器。采用这种方法，就可使小范围甚至手提式氢动力成为可能。这一方法产生氢气的量，取决于具有释放和吸入氧功能的新型氧化物催化剂的多少。因此，制氢设备根据用途可大可小。可以依据所用余热的特点，设计各种类型、包括用于汽车内燃机的制氢器件。因此，这种制氢方法对推进“氢经济”发展具有重要意义，特别是在日照充足的偏远地区。