氢气是一种重要的化工原料，用途非常广泛，近年在全世界碳中和目标下，氢气的用途被进一步拓展，很多国家把它作为一种清洁燃料，期待未来可替代石油、天然气等化石产品。
另外，氢气在冶炼金属、储能、燃料电池等领域的作用也被看好，将成为化工、交通、钢铁和能源部门的最重要脱碳支柱。
但目前全球主要由化石原料（煤制氢、天然气重整等）和工业副产氢制氢（这种来源的氢也被称为灰氢，或蓝氢），占比合计超过97％。这种方式的制氢方法，优点是便宜，缺点是碳排放很高。
如果用碳排很高的氢能作为清洁燃料，就有点跟初衷背道而驰，也有点名不副实。于是，一种新的制氢方式逐渐兴起，这就是“绿氢”。
利用光伏发电、风电和水电等可再生能源规模化电解水制氢是重要的“绿氢”生产路径。绿氢的痛点是成本太高，虽然近年以来，可再生能源的电价不断下降，天然气和石油价格不断上涨，导致绿氢跟灰氢和蓝氢相比，成本越来越具有竞争力，但总体来看，因为还没形成规模化生产，加上电解槽、催化剂等设备的成本，绿氢的成本依然比较高。
因此，无论是产业界，还是学界，都在寻找突破技术，探寻新的催化剂，优化电解槽设备，降低可再生能源价格，寻找合适的储运技术等，都是降低绿氢使用成本的方向。
近日，皇家墨尔本理工大学（RMIT）的研究人员表示，他们已经开发了一种由声波推动的全新电解技术，从而实现了更便宜、更节能的绿色制氢。在这些高频振动的作用下，标准电解过程能产生14倍以上的氢。
根据RMIT的最新研究，当研究人员们播放10-MHz的声波时，整个电解过程的效果会好得多。该研究成果已于近期发表在了《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）杂志上，并已提交澳大利亚临时专利申请以保护新技术。
发表在《先进能源材料》杂志上的论文
那么，这个过程到底是如何实现的呢？其原理是什么？未来应用前景如何？
01
在电解过程中辅之以声波
电解水制氢，涉及电流通过两个电极的水，将水分子分解成氧气和氢气，这些气体以气泡的形式出现。这个过程产生的氢气被称为绿氢。在电解过程中，需要使用催化剂。
领导这项工作的皇家墨尔本理工大学副教授 Amgad Rezk 表示，该团队的创新解决了绿色制氢的巨大挑战。
“电解的主要挑战之一是使用的电极材料成本高，例如铂或铱。”RMIT工程学院的 Rezk 说，“声波使得从水中提取氢气变得更加容易，它消除了使用腐蚀性电解质和昂贵的电极（如铂或铱）的需要，我们可以使用更便宜的电极材料，比如银。”
Rezk说，使用低成本电极材料和避免使用高腐蚀性电解质的能力是降低绿色氢气生产成本的关键因素。
论文第一作者Yemima Ehrnst说，声波还防止了电极上氢气和氧气气泡的积聚，这大大提高了它的导电性和稳定性。
RMIT工程学院的博士研究员Ehrnst说：“用于电解的电极材料会受到氢气和氧气气体积聚的影响，形成一层气体，使电极的活性最小化，并显著降低其性能。”
作为实验的一部分，研究小组测量了电解过程中产生氢气的量，电解过程分为有声波和没有声波的情况。
“在给定的输入电压下，有声波的电解电流输出大约是没有声波的电解电流输出的14倍。这相当于产生的氢气的数量，”Ehrnst说。
首席高级研究员之一的Leslie Yeo教授说，该团队的突破打开了将这种新的声学平台用于其他应用的大门，特别是解决了电极上的气泡积聚。
来自RMIT工程学院的Yeo说：“我们能够抑制电极上的气泡积聚，并通过高频振动快速去除气泡，这代表了电极导电性和稳定性的重大进步。”
“通过我们的方法，我们可以潜在地提高转换效率，从而实现27%的节能。”
SRBW电化学电池的示意图（不按比例）
02
原理是如何实现的？
通过声波可以提高制氢效率，这貌似有点玄乎，但了解了具体原理，其实还是符合科学的。
整个过程的具体原理如下：
首先，振动水具有震动离电极最近的水分子的效果，将这些水分子从它们通常“定居”的四面体网络中摇出来，这可以让更多的“自由”水分子与电极上的催化点接触。
其次，由于不同的气体以气泡形式聚集在每个电极上，振动会将气泡震散。这加快了电解过程，因为这些气泡阻碍了电极与水的接触，限制了反应速度。与此同时，震动带来的声音还有助于产生氢离子（带正电的水离子），以及产生有助于质量转移的对流。
在他们的实验中，研究人员选择使用通常表现很差的电极。而电解过程往往使用稀有和昂贵的铂或铱金属以及强酸或强碱的电解液，追求最佳的反应速率，但RMIT团队使用了更便宜的银电极和中性pH值的电解液。但研究小组一打开声音振动，电流密度和反应速率就会跃升14倍之多。
因此，研究人员得出结论：只需要向电解装置投放一定数量的能量，就可以得到多14倍的氢气。
该团队认为，在更快的反应、节能和成本更低的材料和电解质之间，他们的工作可以帮助降低绿色氢气的价格。
03
未来前景
虽然这项创新很有前景，但该团队需要克服挑战，将声波创新与现有电解槽集成起来，以扩大运行规模。
Yeo表示：“我们热衷于与行业合作伙伴合作，以促进和补充他们现有的电解槽技术，并将其集成到现有的工艺和系统中。”
