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(lǐng)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(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，由阿姆斯特丹大學范特霍夫分子科學研究所的嚴寧博士領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jié)合了兩個世界的優(yōu)點:“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(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，使用地球豐富的材料是現(xiàn)實生活應用的關(guān)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(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(shù)需要更多的未來工作。這項合作將繼續(xù)解決各種基礎(chǔ)和應用問題，如技術(shù)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。