環(huán)球零碳

　　碳中和領(lǐng)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(jīng)濟地生產(chǎn)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(xiàn)——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(lián)酋沙迦大學的科學家們在《核工程與設(shè)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(shù)千年的核廢料轉(zhuǎn)化為清潔氫氣的高效方法。

　　研究人員指出：“利用核廢料生產(chǎn)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(zhuǎn)化成了一種有用的資源?！?/p>

　　該研究對目前已開發(fā)的將核廢料回收轉(zhuǎn)化為氫氣而不產(chǎn)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(shù)。

　　這項技術(shù)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(zhì)，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(lián)結(jié)。

　　而輻射增強電解技術(shù)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(zhì)。

　　這些物質(zhì)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(chǎn)氫效率。

　　研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)量卻呈數(shù)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(shù)的主要挑戰(zhàn)也包括設(shè)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(guān)于集成輻射-電解系統(tǒng)的安全問題。

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

　　除了這項前沿的輻射增強電解技術(shù)，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(chǎn)品——貧鈾。這些貧鈾通常被視為核廢料，但其特殊的電子結(jié)構(gòu)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(jié)合形成的單原子催化劑，僅需72毫伏的過電位就能實現(xiàn)高效的析氫反應(yīng)，這個性能已經(jīng)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(chǎn)生氫氣的現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生的含乙醇胺廢水方面，液相等離子體光催化技術(shù)展現(xiàn)了獨特價值。

　　這種方法利用高壓放電在液體中產(chǎn)生等離子體，既能高效降解有機污染物，又能同時產(chǎn)生氫氣，實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)方案共同表明，人們正在轉(zhuǎn)向核能-氫能一體化戰(zhàn)略，將廢物視為一種生產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)化為氫能生產(chǎn)資源的技術(shù)，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(shù)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(shù)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(shù)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(chǎn)物氣體可能被放射性物質(zhì)污染等問題，也都需要進一步解決。

　　如果這些技術(shù)能夠成熟應(yīng)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(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟的精髓——將問題轉(zhuǎn)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