聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第二工作組在其第六次評估報告(1)中指出，氣候變化已經「對陸地和海洋生態系統造成重大損害」。極端事件頻率和強度的增加降低了糧食和水的安全，影響了全球人民的身體健康，並加劇了人道主義危機。該報告還指出，「全球在近期變暖1.5 °C，將不可避免地導致多種氣候災害增加，並給生態系統和人類帶來多種風險」。
國際上各國政府都在對這一警示做出回應，最引人注目的是2021年在格拉斯哥舉行的第26屆聯合國氣候變化締約方會議(COP26)上，153個國家提出了新的2030年排放目標。為實現這些目標，大多數發達國家都承諾將氫作為一種關鍵的替代能源。氫可以通過多種方式幫助經濟脫碳和達到零排放。除了為間歇性可再生能源的能源儲存提供一種可行的解決方案外，氫氣也被視為替代天然氣的關鍵能源;特別是在難以減排的行業，如重型車輛、火車和航運方面。在本期特刊中，Kazi和Eljack(2)探討了氫氣在海事領域的應用潛力。氫氣可以從不同的來源獲得，可以使用可再生資源，也可以使用不可再生資源， Moral等(3)回顧了從焦爐煤氣中回收氫氣的相關文獻；Osasuyi等(4)研究了通過熱化學過程，從有毒廢物H2S中回收氫和硫。
圖1. 從有毒廢物H2S中回收氫和硫(4)
隨着技術的發展，可以預見大多數國家都將從以化石燃料為基礎的氫供應過渡到綠色氫供應。然而，在2020年，全球只有2%的氫氣產自電解，76%產自天然氣，22%產自煤氣化。這些氫氣主要用於煉油、生產氨作為肥料成分，或用於甲醇生產，而不是作為能源載體。在本特刊中，Fernández-González等(5) 對基於傳統製備方法、CO2催化加氫及基於電化學催化轉化合成甲醇的路線、環境和經濟可持續性進行了評估。將CO2的利用融入化學生產過程中，是減少總排放量、應對全球變暖挑戰的另一個重要途徑。
圖2.可再生MeOH的生產路線、環境和經濟可持續性評估(5)
然而，實現能源轉型對任何國家來說都不是易事。必須降低可再生能源的價格，使綠色氫具有競爭力，必須開發新的分配網絡、加氣站和運輸路徑，將氫運送到最終目的地，設備和基礎設施也必須進行調整。這些變化並不簡單，因為氫的體積能量密度極低。這意味着，有效的氫儲存通常需在高壓或低溫下進行，以減少體積。用於儲存或運輸的壓縮會消耗氫能本身20%的能量。(6) 在本特刊中，Salman等(7)回顧了液態有機氫載體的使用，以提供更大密度的運輸和存儲;而Varghese等(8)認為Cu-BTC MOF/氧化石墨烯混合吸附劑可用於室溫存儲。
氫是一種非常小的分子，這意味着很難留存，通過閥門和其他配件從基礎設施中泄漏是一個重大的安全和經濟問題。氫在與鋼和其他金屬接觸時也容易形成自由基，導致脆裂，增加基礎設施故障的風險。有一個方案越來越受到關注，便是將氫氣混合到現有的天然氣網絡中，以克服這一問題。據稱，管道可以處理15%到30%的氫混合物，超過比例才會產生脆裂問題。(9) 在本特刊中，Alkhatib等(10)探討了管道熱力學在這些情況下可能發生的變化，並量化了氫氣濃度對天然氣性質的影響。
成本是另一個關鍵的因素。目前，採用CCS技術從煤或天然氣產氫，價格為每公斤1.16 - 2.27美元，而綠色氫的價格為每公斤5 - 6美元。(9) 在本特刊中，Wang等(11)旨在通過改進電極催化劑來降低電解成本。無論生產路線如何，氫氣在電解生產時也會消耗大量的水(每公斤氫氣約9升)，(12) 這可能會增加其環境足跡，並與農業和糧食生產等其他用水需求競爭。
圖3. FeOOH修飾的Fe摻雜硒化鎳分級陣列用於高性能水氧化 (11)
除此之外，在本特刊中，Hou等(13)考慮使用混合基質膜從甲烷中分離二氧化碳，從天然氣中分離氫。同樣，Bitter和Asadi Tashvigh(14)評述了聚苯並咪唑膜用於氫分離的應用。Zhao等(15)研究了氫在燃料電池汽車中的使用，並特別研究了在這些系統中更有效的氧還原反應催化劑的潛力。希望這些涉及氫經濟不同技術方面的文章能夠引起讀者的興趣，並對他們在這一重要領域的研究提供方向。只有通過科學家和工程師們的共同努力，我們才能進一步推動氫經濟，推動應對氣候變化的行動。
References:
IPCC. 2022: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change; Pörtner, H.-O., Roberts, D. C., Tignor, M., Poloczanska, E. S., Mintenbeck, K., Alegría, A., Craig, M., Langsdorf, S., Löschke, S., Möller, V., Okem, A., Rama, B., Eds.; Cambridge University Press, in press.
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Hou, R.; Eden, N. T.; Fong, C.; Acharya, D.; Doherty, C. M.; Gengenbach, C.; Konstas, K.; Xie, Z.; Freeman, B. D.; Hill, M. Enhanced Membrane Performance for Gas Separation by Coupling effect of Porous Aromatic Framework (PAF) Incorporation and Photo-Oxidation. Ind. Eng. Chem. Res. 2022, DOI: 10.1021/ic03942
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Ind. Eng. Chem. Res.2022, 61, 18, 6065–6066
Publication Date: May 11, 2022
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c01090
Copyright © 2022 American Chemical Society
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