用易拉罐和海水制氢：可扩展且绿色环保的工艺

图注：MIT工程师开发出一种基于铝的新型制氢工艺，并正在多种应用场景中进行测试，包括图中所示的铝驱动电动车。

该方法的整体碳排放与其他绿色制氢技术相当。

氢气被视为一种具有气候友好潜力的燃料，因为在作为能源使用时不会排放二氧化碳。然而，目前大多数制氢方法仍依赖化石燃料，从生命周期角度看，这使得氢气难以被真正归类为“绿色”能源。

麻省理工学院（MIT）工程师开发的一项新工艺有望显著降低制氢过程中的碳足迹。去年，该研究团队首次展示了可通过将海水、回收的易拉罐以及咖啡因结合来制备氢气。当时的关键问题是：这种实验台上的方法是否可以工业化应用？以及其环保成本几何？

如今，研究人员对这一工艺进行了全生命周期评估，涵盖了工业规模下制氢过程的每一个环节。例如，研究团队计算了获取和处理铝、与海水反应生成氢气，以及将氢气运输至加气站等过程中的碳排放，最终供驾驶者为发动机或燃料电池汽车加注氢气。评估结果显示，该新工艺的总碳排放远低于传统制氢方法。

图注：该新工艺以回收铝颗粒（如图中罐中所示）为起点，通过与海水反应生成纯氢气。研究团队发现，若实现规模化，该工艺有望以较低碳足迹生产“绿色”氢气。

图片来源：Tony Pulsone，MIT机械工程系

据今日发表在《Cell Reports Sustainability》期刊上的研究显示，使用该方法生产每千克氢气，其全生命周期碳排放约为1.45千克二氧化碳。而相比之下，基于化石燃料的制氢工艺每千克氢气会产生约11千克二氧化碳。

该方法的低碳足迹与其他绿色制氢技术（如太阳能或风能制氢）相当。

“我们已进入绿色氢气的范畴，”第一作者、2025年春从MIT获得机械工程博士学位的Aly Kombargi表示。“本研究突显了铝作为清洁能源来源的潜力，并为交通与远程能源系统中低排放氢气的推广提供了一种可扩展路径。”

该研究的其他MIT合作者包括Brooke Bao、Enoch Ellis及机械工程系教授Douglas Hart。

气泡生成机制

将铝罐投进水中通常不会发生明显的化学反应。这是因为铝在接触氧气时会迅速形成一层类似保护膜的氧化层。若没有这层膜，纯铝在与水混合时会快速发生反应。此反应中，铝原子能高效地将水分子分解，生成氧化铝和纯氢气。只需少量铝，就能产生大量氢气。

“使用铝的主要优势之一在于其单位体积的能量密度高，”Kombargi解释道。“仅用极少量的铝燃料，就有可能为一辆氢能汽车提供主要动力。”

去年，他和Hart开发出一种基于铝的制氢配方。他们发现，使用少量镓-铟（Ga-In）合金可以破坏铝的自然氧化膜，从而将其还原为纯铝。随后，研究人员将纯铝颗粒与海水混合，成功观察到氢气的产生。更有意义的是，水中的盐分还能促使镓-铟沉淀，从而实现回收与重复利用，构建一个可持续、低成本的循环系统。

“我们在会议上介绍该工艺的原理时，经常被问到‘这项技术的成本是多少？’以及‘它的碳足迹是多少？’”Kombargi表示。“因此我们决定全面评估这个过程。”

一个可持续的循环系统

在这项新研究中，Kombargi及其同事对基于铝的制氢流程进行了生命周期评估，估算了从铝资源获取到氢气运输的全过程对环境的影响。他们以生产1千克氢气为评估基准，这是一个具有消费级意义的参考量。

“一辆燃料电池汽车使用1千克氢气，行驶距离大约在60至100公里之间，具体取决于燃料电池的效率，”Kombargi指出。

研究团队利用“Earthster”这一在线生命周期评估工具进行分析，该平台整合了大量产品与工艺的碳排放数据。他们模拟了多个制氢情景，包括使用“初级”铝（直接开采）与“次级”铝（如回收自易拉罐等再生材料），并考虑了不同的铝与氢气运输方式。

经过对约12种情景的评估，团队确定出碳排放最低的方案：使用回收铝与海水为原料。这不仅减少了因开采原铝产生的大量排放，同时通过回收镓-铟降低了材料成本。结果表明，这一工艺全生命周期内，每生产1千克氢气排放约1.45千克二氧化碳。成本方面，该工艺每千克氢气约为9美元，与风能或太阳能等绿色技术生成的氢气价格相当。

研究人员设想，一旦将该低碳工艺商业化，其流程可能如下：生产链从回收中心获取废铝开始，将其粉碎成颗粒并预处理镓-铟。之后，铝颗粒可作为“燃料”运输，而无需直接运输易挥发的氢气。这些颗粒将被运送至靠近海水来源的加氢站，在需要时与海水混合，现场制氢。用户可以直接将生成的氢气加注进内燃机或燃料电池汽车。

该工艺的副产品是含铝矿物——勃姆石（boehmite），它广泛用于半导体、电子元件及多种工业产品的制造。Kombargi指出，若在制氢后回收这一副产品并销售给制造商，可进一步降低整体成本。

“这个过程有很多要素需要考量，”Kombargi总结道，“但它确实可行，这是最令人兴奋的地方。更重要的是，我们已经证明它可以实现环境可持续性。”

研究团队目前正继续优化这一工艺。他们近期设计了一种小型反应器，体积约为一个水瓶，可利用铝颗粒与海水生成氢气，为电动自行车供电数小时。他们先前也已验证，该工艺可以产生足够氢气驱动一辆小型汽车。目前，他们还在探索水下应用，包括设计利用海水供能的小型船只或水下无人设备的制氢装置。

该研究部分由“MIT-葡萄牙项目”（MIT Portugal Program）资助。

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/06/03/h2/science04-jun-2025-1-10-am-aestshare-hydrogen-made-from-soda-cans-seawater-scalable-green