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(xué)范特霍夫分子科學(xué)研究所的閆寧博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員展示了一種使用地球豐富的催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)電解水的實(shí)用無(wú)膜方法。他們與武漢大學(xué)和武漢理工大學(xué)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(shì)。

向氫經(jīng)濟(jì)過(guò)渡是推進(jìn)可持續(xù)能源實(shí)踐和應(yīng)對(duì)氣候變化的必要條件。利用可再生電力通過(guò)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(xué)物質(zhì)的試劑。大規(guī)模的電解水是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，盡管電解技術(shù)已有200多年的歷史，但該技術(shù)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(yùn)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(jié)構(gòu)FeP-CoP嵌套氮摻雜碳電催化劑的制備示意圖

夾層型結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在，由阿姆斯特丹大學(xué)范特霍夫分子科學(xué)研究所的嚴(yán)寧博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員展示了一種新型的無(wú)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(xiàng)研究由武漢大學(xué)和武漢理工大學(xué)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(gè)相同和獨(dú)立的隔間組成，結(jié)構(gòu)類似三明治。通過(guò)這個(gè)夾層流動(dòng)兩種溶液:富氫陰極電解質(zhì)和富氧陽(yáng)極電解質(zhì)。在操作過(guò)程中，陽(yáng)極液和陰極液來(lái)回循環(huán)，使每個(gè)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(guò)99%。

無(wú)膜電解水器的臺(tái)階式原型

根據(jù)嚴(yán)博士的說(shuō)法，這種新裝置結(jié)合了兩個(gè)世界的優(yōu)點(diǎn):“緊密排列的三明治結(jié)構(gòu)使得離子的傳播距離很短，使我們的無(wú)膜電池的歐姆電阻可以與PEM電解器相媲美。再加上兩個(gè)反應(yīng)室的分離，這為電池在與pem相當(dāng)?shù)母唠娏髅芏认鹿ぷ魈峁┝藱C(jī)會(huì)。此外，我們的電解器設(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)操作

為實(shí)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(yàn)表明，它在水還原反應(yīng)和水氧化反應(yīng)中均表現(xiàn)良好。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(jí)電容器的應(yīng)用。這些高孔和結(jié)構(gòu)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(shuō)，使用地球豐富的材料是現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用的關(guān)鍵:“為了在市場(chǎng)上有效競(jìng)爭(zhēng)，綠色氫的成本應(yīng)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(guò)設(shè)計(jì)具有新結(jié)構(gòu)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(shí)生活中的應(yīng)用創(chuàng)造了可能性。”

Yan和Rothenberg意識(shí)到擴(kuò)大這種細(xì)胞技術(shù)需要更多的未來(lái)工作。這項(xiàng)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)水電解質(zhì)中工作電極和輔助電極的動(dòng)態(tài)行為。