研究人员开发了一种新型电解水制氢模式 无需贵金属和交换膜

在《自然通讯》杂志最近发表的一篇论文中，由阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的闫宁博士领导的一组研究人员展示了一种使用地球丰富的催化剂来实现电解水的实用无膜方法。他们与武汉大学和武汉理工大学的研究人员共同开发的新电解液概念，与目前正在开发的用于大规模制氢的电解液相比，具有显著的优势。

向氢经济过渡是推进可持续能源实践和应对气候变化的必要条件。利用可再生电力通过电解水产生的氢既可以作为清洁能源载体，也可以作为从二氧化碳中制造大量化学物质的试剂。大规模的电解水是实现这些目标的关键技术。然而，尽管电解技术已有200多年的历史，但该技术仍面临着重大挑战。例如，传统的碱性电解更适合在低电流密度和低压力下运行，而新兴的质子交换膜(PEM)电解需要使用稀有的贵金属催化剂和广泛的水净化。

新型电解槽的核心是微结构FeP-CoP嵌套氮掺杂碳电催化剂的制备示意图

夹层型结构

现在，由阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的严宁博士领导的一组研究人员展示了一种新型的无膜电解器，它可以在高电流密度下将水分解成氢和氧，只需要使用地球上丰富的催化剂。这项研究由武汉大学和武汉理工大学的研究人员共同完成，最近发表在《自然通讯》杂志上。

新的电解槽由两个相同和独立的隔间组成，结构类似三明治。通过这个夹层流动两种溶液:富氢阴极电解质和富氧阳极电解质。在操作过程中，阳极液和阴极液来回循环，使每个隔间的作用不断颠倒。因此，新型电解器提供的氢气纯度超过99%。

无膜电解水器的台阶式原型

根据严博士的说法，这种新装置结合了两个世界的优点:“紧密排列的三明治结构使得离子的传播距离很短，使我们的无膜电池的欧姆电阻可以与PEM电解器相媲美。再加上两个反应室的分离，这为电池在与pem相当的高电流密度下工作提供了机会。此外，我们的电解器设计非常坚固，在去离子水和普通自来水中都能很好地工作。”

循环操作

为实现连续性能，电解器以循环方式操作，其中电极催化剂具有双功能活性。试验表明，它在水还原反应和水氧化反应中均表现良好。这里的一个重要优势是不需要贵金属。相反，该电池使用了一种改良版的氮掺杂催化剂，这种催化剂是Yan和GadiRothenberg教授早先开发的，用于燃料电池和超级电容器的应用。这些高孔和结构的材料现在已经被博士生JasperBiemolt用作铁钴合金及其磷化衍生物的载体(见上图)。

Rothenberg解释说，使用地球丰富的材料是现实生活应用的关键:“为了在市场上有效竞争，绿色氢的成本应该在每公斤2欧元以下。这意味着氢的大规模商业化生产需要找到替代方案。通过设计具有新结构的电解质和使用基于丰富元素的催化剂，我们为现实生活中的应用创造了可能性。”

Yan和Rothenberg意识到扩大这种细胞技术需要更多的未来工作。这项合作将继续解决各种基础和应用问题，如技术经济分析和自来水电解质中工作电极和辅助电极的动态行为。