新型制氫電解槽
發(fā)布時(shí)間：
2022-06-02
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道：在最近發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)一篇論文中，由阿姆斯特丹大學(xué)范霍夫分子科學(xué)研究所的Ning Yan博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員提供了一種實(shí)用的無(wú)膜制氫方法，即使用富土催化劑來(lái)進(jìn)行水電解。他們與武漢大學(xué)和武漢理工大學(xué)的研究人員共同開(kāi)發(fā)的新電解槽概念與目前為大規(guī)模制氫而開(kāi)發(fā)的電解槽相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道：在最近發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)一篇論文中，由阿姆斯特丹大學(xué)范霍夫分子科學(xué)研究所的Ning Yan博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員提供了一種實(shí)用的無(wú)膜制氫方法，即使用富土催化劑來(lái)進(jìn)行水電解。他們與武漢大學(xué)和武漢理工大學(xué)的研究人員共同開(kāi)發(fā)的新電解槽概念與目前為大規(guī)模制氫而開(kāi)發(fā)的電解槽相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。
新型電解槽核心的微結(jié)構(gòu)
FeP-CoP 嵌入氮摻雜碳電催化劑的制備示意圖
雖然電解槽已被應(yīng)用200 多年，但該技術(shù)仍面臨重大挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的堿性電解更適合在低電流密度和低壓下運(yùn)行，而新興的質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽需要使用稀有的貴金屬催化劑和大量的純水。
三明治式建筑
新型電解槽由兩個(gè)相同且獨(dú)立的隔間組成，具有類似三明治的結(jié)構(gòu)。夾層中流動(dòng)著兩種溶液：富氫陰極電解液和富氧陽(yáng)極電解液。在操作過(guò)程中，陽(yáng)極電解液和陰極電解液來(lái)回循環(huán)，從而使每個(gè)隔室的作用不斷互換。因此，新型電解槽可提供純度超過(guò)99%的氫氣。
據(jù)Yan博士說(shuō)，這種新設(shè)計(jì)具有兩大優(yōu)點(diǎn)：緊密的夾層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致離子的移動(dòng)距離很短，使無(wú)膜電池的歐姆電阻與PEM電解槽的電阻相當(dāng)。再加上兩個(gè)反應(yīng)室的分離，這為該電池在高電流密度下工作提供了機(jī)會(huì)，可與PEM的電流密度相媲美。此外，新電解槽設(shè)計(jì)非常堅(jiān)固，在去離子水和普通自來(lái)水中都能很好地工作。
循環(huán)運(yùn)行
為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的性能，該電解槽以循環(huán)的方式運(yùn)行，其中電極催化劑是雙功能的。測(cè)試表明，它在水還原反應(yīng)和水氧化反應(yīng)中的表現(xiàn)同樣出色。這里的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，不需要貴金屬。相反，該電池使用了一個(gè)改良版的使用氮摻雜多孔碳作為載體的催化劑，該催化劑是由Yan和Gadi Rothenberg教授早先為燃料電池和超級(jí)電容器應(yīng)用開(kāi)發(fā)的。這些高度多孔和結(jié)構(gòu)化的材料現(xiàn)在已經(jīng)被博士生Jasper Biemolt用作鐵鈷合金及其磷化物衍生物的載體。
擴(kuò)大該電池技術(shù)的規(guī)模需要未來(lái)付出更多努力。聯(lián)合合作將繼續(xù)解決各種基礎(chǔ)和應(yīng)用問(wèn)題，如技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和自來(lái)水電解液中工作電極和輔助電極的動(dòng)態(tài)行為。
文獻(xiàn)參考：
Xiaoyu Yan, Jasper Biemolt, Kai Zhao, Yang Zhao, Xiaojuan Cao, Ying Yang, Xiaoyu Wu, Gadi Rothenberg & Ning Yan: A membrane-free flow electrolyzer operating at high current density using earth-abundant catalysts for water splitting. Nat Commun 12, 4143 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24284-5
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