在《自然通訊》雜志最近發(fā)表的一篇論文中，由阿姆斯特丹大學范特霍夫分子科學研究所的閆寧博士領導的一組研究人員展示了一種使用地球豐富的催化劑來實現(xiàn)電解水的實用無膜方法。他們與武漢大學和武漢理工大學的研究人員共同開發(fā)的新電解液概念，與目前正在開發(fā)的用于大規(guī)模制氫的電解液相比，具有顯著的優(yōu)勢。

向氫經(jīng)濟過渡是推進可持續(xù)能源實踐和應對氣候變化的必要條件。利用可再生電力通過電解水產(chǎn)生的氫既可以作為清潔能源載體，也可以作為從二氧化碳中制造大量化學物質(zhì)的試劑。大規(guī)模的電解水是實現(xiàn)這些目標的關鍵技術。然而，盡管電解技術已有200多年的歷史，但該技術仍面臨著重大挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的堿性電解更適合在低電流密度和低壓力下運行，而新興的質(zhì)子交換膜(PEM)電解需要使用稀有的貴金屬催化劑和廣泛的水凈化。

新型電解槽的核心是微結構FeP-CoP嵌套氮摻雜碳電催化劑的制備示意圖

夾層型結構

現(xiàn)在，由阿姆斯特丹大學范特霍夫分子科學研究所的嚴寧博士領導的一組研究人員展示了一種新型的無膜電解器，它可以在高電流密度下將水分解成氫和氧，只需要使用地球上豐富的催化劑。這項研究由武漢大學和武漢理工大學的研究人員共同完成，最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

新的電解槽由兩個相同和獨立的隔間組成，結構類似三明治。通過這個夾層流動兩種溶液:富氫陰極電解質(zhì)和富氧陽極電解質(zhì)。在操作過程中，陽極液和陰極液來回循環(huán)，使每個隔間的作用不斷顛倒。因此，新型電解器提供的氫氣純度超過99%。

無膜電解水器的臺階式原型

根據(jù)嚴博士的說法，這種新裝置結合了兩個世界的優(yōu)點:“緊密排列的三明治結構使得離子的傳播距離很短，使我們的無膜電池的歐姆電阻可以與PEM電解器相媲美。再加上兩個反應室的分離，這為電池在與pem相當?shù)母唠娏髅芏认鹿ぷ魈峁┝藱C會。此外，我們的電解器設計非常堅固，在去離子水和普通自來水中都能很好地工作。”

循環(huán)操作

為實現(xiàn)連續(xù)性能，電解器以循環(huán)方式操作，其中電極催化劑具有雙功能活性。試驗表明，它在水還原反應和水氧化反應中均表現(xiàn)良好。這里的一個重要優(yōu)勢是不需要貴金屬。相反，該電池使用了一種改良版的氮摻雜催化劑，這種催化劑是Yan和GadiRothenberg教授早先開發(fā)的，用于燃料電池和超級電容器的應用。這些高孔和結構的材料現(xiàn)在已經(jīng)被博士生JasperBiemolt用作鐵鈷合金及其磷化衍生物的載體(見上圖)。

Rothenberg解釋說，使用地球豐富的材料是現(xiàn)實生活應用的關鍵:“為了在市場上有效競爭，綠色氫的成本應該在每公斤2歐元以下。這意味著氫的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)需要找到替代方案。通過設計具有新結構的電解質(zhì)和使用基于豐富元素的催化劑，我們?yōu)楝F(xiàn)實生活中的應用創(chuàng)造了可能性。”

Yan和Rothenberg意識到擴大這種細胞技術需要更多的未來工作。這項合作將繼續(xù)解決各種基礎和應用問題，如技術經(jīng)濟分析和自來水電解質(zhì)中工作電極和輔助電極的動態(tài)行為。