核废料制氢产量提高10倍！辐射反而增强电解水效率？

　　环球零碳

　　碳中和领域的《新青年》

　　首图来源：EV World

　　撰文 | Bell

　　编辑 | 小雨

　　→这是《环球零碳》的1761篇原创

　　在人们对清洁能源的需求与日俱增的今天，氢能作为一种零碳排放的理想能源载体，正受到全球的瞩目。

　　然而，如何大规模、经济地生产氢气，一直是困扰科学界的难题。

　　正当科学家们在清洁氢能路径上不断探索之际，一个看似不可能的解决方案正悄然浮现——那些具有重大环境危害的核废料，竟然成了解决问题的钥匙。

　　最近，阿联酋沙迦大学的科学家们在《核工程与设计》期刊上发表的综述研究，揭示了一系列将放射性可持续数千年的核废料转化为清洁氢气的高效方法。

　　研究人员指出：“利用核废料生产氢气是一种新颖的方法，它将一个长期存在的环境问题转化成了一种有用的资源。”

　　该研究对目前已开发的将核废料回收转化为氢气而不产生二氧化碳的方法进行了详细而全面的评估。

　　其中最引人注目的，是一种被称为“辐射增强电解（Radiation-Enhanced Electrolysis）”的新技术。

　　这项技术的突破性在于，它利用核废料自身发出的辐射能量，将电解水制氢的效率提升了惊人的十倍。

　　那些需要被深埋地下、严密监视的危险物质，竟然能摇身一变，成为制造清洁能源的“催化剂”，这无疑是化腐朽为神奇的典范。

　　在传统电解水过程中，我们需要消耗大量电能才能打破水分子中氢氧之间的牢固联结。

　　而辐射增强电解技术则另辟蹊径，利用核废料释放的γ射线等电离辐射，预先激发水分子，使其预先分裂成氢自由基、羟基自由基、水合电子、分子氢和过氧化氢等物质。

　　这些物质处于一种类游离状态，也就更容易被电流分解成氢气，从而获得更高的产氢效率。

　　研究人员通过实验发现，在辐射的辅助下，电解过程所需的电压显著降低，而在相同电能输入下，氢气的产量却呈数倍增长，最高可增加10倍。

　　图说：辐射增强水电解装置示意

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

　　不过，这项技术的主要挑战也包括设计能够高效将辐射源与电解槽耦合的系统，管理电解槽组件的辐射损伤，以及解决关于集成辐射-电解系统的安全问题。

　　研究人员将该技术归类于2级技术成熟度（TRL），意味着技术需要基础研究以证明其可行性，才能推进到更高的技术成熟度等级。

　　除了这项前沿的辐射增强电解技术，科学家们还评估了其他几种富有创意的核废料制氢路径。

　　铀基催化电解就是其中之一，它巧妙地利用了核工业的副产品——贫铀。这些贫铀通常被视为核废料，但其特殊的电子结构使其成为电解水的天然催化剂。

　　过往实验表明，铀与二硫化钼结合形成的单原子催化剂，仅需72毫伏的过电位就能实现高效的析氢反应，这个性能已经接近昂贵的铂催化剂。

　　更妙的是，使用贫铀作为催化剂，减少了对稀有贵金属的依赖，使得制氢成本有望大幅降低。

　　另一种颇具潜力的方法是放射分解制氢。这个过程模拟了自然界中放射性矿物分解水产生氢气的现象。

　　科学家们曾在实验室中将核废料的辐射能量集中于特定的催化剂，如二氧化钛、氧化锆等，发现它们能显著促进水的分解。

　　令人惊喜的是，在体系中添加甲酸后，氢气产量提升了12倍；而适当提高温度，也能带来五倍的增长。

　　这仿佛为我们打开了一扇窗，让我们窥见如何更有效地利用核废料中那源源不断的辐射能。

　　在处理核电站产生的含乙醇胺废水方面，液相等离子体光催化技术展现了独特价值。

　　这种方法利用高压放电在液体中产生等离子体，既能高效降解有机污染物，又能同时产生氢气，实现了“一石二鸟”的环境效益。

　　研究人员使用镍修饰的二氧化钛催化剂，在含乙醇胺的核废水中获得了最高每小时9.1毫摩尔的产氢速率，这为核电站废水的资源化处理提供了新思路。

　　这些技术方案共同表明，人们正在转向核能-氢能一体化战略，将废物视为一种生产原料，而不仅仅是一个亟待解决的问题。

　　核废料管理是全球性挑战，尤其是高放射性废物的长期存储问题。目前，全球现存超过400万立方米的核废料正等待着安全处置的方案。

　　因此，发展将核废料转化为氢能生产资源的技术，既能减少核废料体积和放射性，又能提供可持续的清洁能源。

　　图说：技术成熟度评估

　　来源：https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2025.114511（环球零碳制图）

　　不过，尽管这些技术前景诱人，科学家们还是坦诚地指出了面临的挑战。

　　其中最突出的障碍来自于严格的核材料管制法规。目前，大多数研究只能使用外部放射源来模拟核废料的效果，这无疑影响了研究成果的真实性和适用性。

　　正如研究人员所言：“严格的法规在保障安全的同时，也在一定程度上阻碍了创新。”

　　此外，催化剂在辐射环境下的稳定性、产物气体可能被放射性物质污染等问题，也都需要进一步解决。

　　如果这些技术能够成熟应用，不仅能为世界提供稳定的清洁氢源，还能显著减少需要长期储存的核废料体积，降低环境风险。

　　这种“以废治废”的思路，正好体现了循环经济的精髓——将问题转化为资源。

　　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