環(huán)球零碳

　　碳中和領域的《新青年》

　　首圖來源：EV World

　　撰文 | Bell

　　編輯 | 小雨

　　→這是《環(huán)球零碳》的1761篇原創(chuàng)

　　在人們對清潔能源的需求與日俱增的今天，氫能作為一種零碳排放的理想能源載體，正受到全球的矚目。

　　然而，如何大規(guī)模、經濟地生產氫氣，一直是困擾科學界的難題。

　　正當科學家們在清潔氫能路徑上不斷探索之際，一個看似不可能的解決方案正悄然浮現——那些具有重大環(huán)境危害的核廢料，竟然成了解決問題的鑰匙。

　　最近，阿聯酋沙迦大學的科學家們在《核工程與設計》期刊上發(fā)表的綜述研究，揭示了一系列將放射性可持續(xù)數千年的核廢料轉化為清潔氫氣的高效方法。

　　研究人員指出：“利用核廢料生產氫氣是一種新穎的方法，它將一個長期存在的環(huán)境問題轉化成了一種有用的資源�！�

　　該研究對目前已開發(fā)的將核廢料回收轉化為氫氣而不產生二氧化碳的方法進行了詳細而全面的評估。

　　其中最引人注目的，是一種被稱為“輻射增強電解（Radiation-Enhanced Electrolysis）”的新技術。

　　這項技術的突破性在于，它利用核廢料自身發(fā)出的輻射能量，將電解水制氫的效率提升了驚人的十倍。

　　那些需要被深埋地下、嚴密監(jiān)視的危險物質，竟然能搖身一變，成為制造清潔能源的“催化劑”，這無疑是化腐朽為神奇的典范。

　　在傳統(tǒng)電解水過程中，我們需要消耗大量電能才能打破水分子中氫氧之間的牢固聯結。

　　而輻射增強電解技術則另辟蹊徑，利用核廢料釋放的γ射線等電離輻射，預先激發(fā)水分子，使其預先分裂成氫自由基、羥基自由基、水合電子、分子氫和過氧化氫等物質。

　　這些物質處于一種類游離狀態(tài)，也就更容易被電流分解成氫氣，從而獲得更高的產氫效率。

　　研究人員通過實驗發(fā)現，在輻射的輔助下，電解過程所需的電壓顯著降低，而在相同電能輸入下，氫氣的產量卻呈數倍增長，最高可增加10倍。

　　圖說：輻射增強水電解裝置示意

　　來源：https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2025.114511

　　不過，這項技術的主要挑戰(zhàn)也包括設計能夠高效將輻射源與電解槽耦合的系統(tǒng)，管理電解槽組件的輻射損傷，以及解決關于集成輻射-電解系統(tǒng)的安全問題。

　　研究人員將該技術歸類于2級技術成熟度（TRL），意味著技術需要基礎研究以證明其可行性，才能推進到更高的技術成熟度等級。

　　除了這項前沿的輻射增強電解技術，科學家們還評估了其他幾種富有創(chuàng)意的核廢料制氫路徑。

　　鈾基催化電解就是其中之一，它巧妙地利用了核工業(yè)的副產品——貧鈾。這些貧鈾通常被視為核廢料，但其特殊的電子結構使其成為電解水的天然催化劑。

　　過往實驗表明，鈾與二硫化鉬結合形成的單原子催化劑，僅需72毫伏的過電位就能實現高效的析氫反應，這個性能已經接近昂貴的鉑催化劑。

　　更妙的是，使用貧鈾作為催化劑，減少了對稀有貴金屬的依賴，使得制氫成本有望大幅降低。

　　另一種頗具潛力的方法是放射分解制氫。這個過程模擬了自然界中放射性礦物分解水產生氫氣的現象。

　　科學家們曾在實驗室中將核廢料的輻射能量集中于特定的催化劑，如二氧化鈦、氧化鋯等，發(fā)現它們能顯著促進水的分解。

　　令人驚喜的是，在體系中添加甲酸后，氫氣產量提升了12倍；而適當提高溫度，也能帶來五倍的增長。

　　這仿佛為我們打開了一扇窗，讓我們窺見如何更有效地利用核廢料中那源源不斷的輻射能。

　　在處理核電站產生的含乙醇胺廢水方面，液相等離子體光催化技術展現了獨特價值。

　　這種方法利用高壓放電在液體中產生等離子體，既能高效降解有機污染物，又能同時產生氫氣，實現了“一石二鳥”的環(huán)境效益。

　　研究人員使用鎳修飾的二氧化鈦催化劑，在含乙醇胺的核廢水中獲得了最高每小時9.1毫摩爾的產氫速率，這為核電站廢水的資源化處理提供了新思路。

　　這些技術方案共同表明，人們正在轉向核能-氫能一體化戰(zhàn)略，將廢物視為一種生產原料，而不僅僅是一個亟待解決的問題。

　　核廢料管理是全球性挑戰(zhàn)，尤其是高放射性廢物的長期存儲問題。目前，全球現存超過400萬立方米的核廢料正等待著安全處置的方案。

　　因此，發(fā)展將核廢料轉化為氫能生產資源的技術，既能減少核廢料體積和放射性，又能提供可持續(xù)的清潔能源。

　　圖說：技術成熟度評估

　　來源：https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2025.114511（環(huán)球零碳制圖）

　　不過，盡管這些技術前景誘人，科學家們還是坦誠地指出了面臨的挑戰(zhàn)。

　　其中最突出的障礙來自于嚴格的核材料管制法規(guī)。目前，大多數研究只能使用外部放射源來模擬核廢料的效果，這無疑影響了研究成果的真實性和適用性。

　　正如研究人員所言：“嚴格的法規(guī)在保障安全的同時，也在一定程度上阻礙了創(chuàng)新�！�

　　此外，催化劑在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性、產物氣體可能被放射性物質污染等問題，也都需要進一步解決。

　　如果這些技術能夠成熟應用，不僅能為世界提供穩(wěn)定的清潔氫源，還能顯著減少需要長期儲存的核廢料體積，降低環(huán)境風險。

　　這種“以廢治廢”的思路，正好體現了循環(huán)經濟的精髓——將問題轉化為資源。

　　Reference：

　　[1]https://interestingengineering.com/energy/10-times-hydrogen-output-from-nuclear-waste

　　[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1104533

　　[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0029549325006880

　　[4]https://fuelcellsworks.com/2025/11/10/clean-energy/nuclear-waste-powered-hydrogen-tenfold-boost-using-radiation-enhanced-electrolysis