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新型制氢电解槽

发布时间：

2022-06-02

据国外媒体报道：在最近发表于《自然通讯》(Nature Communications)一篇论文中，由阿姆斯特丹大学范霍夫分子科学研究所的Ning Yan博士领导的一组研究人员提供了一种实用的无膜制氢方法，即使用富土催化剂来进行水电解。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槽概念与目前为大规模制氢而开发的电解槽相比具有明显优势。

　　新型电解槽核心的微结构

　　FeP-CoP 嵌入氮掺杂碳电催化剂的制备示意图

　　虽然电解槽已被应用200 多年，但该技术仍面临重大挑战。例如，传统的碱性电解更适合在低电流密度和低压下运行，而新兴的质子交换膜(PEM)电解槽需要使用稀有的贵金属催化剂和大量的纯水。

　　三明治式建筑

　　新型电解槽由两个相同且独立的隔间组成，具有类似三明治的结构。夹层中流动着两种溶液：富氢阴极电解液和富氧阳极电解液。在操作过程中，阳极电解液和阴极电解液来回循环，从而使每个隔室的作用不断互换。因此，新型电解槽可提供纯度超过99%的氢气。

　　据Yan博士说，这种新设计具有两大优点：紧密的夹层结构导致离子的移动距离很短，使无膜电池的欧姆电阻与PEM电解槽的电阻相当。再加上两个反应室的分离，这为该电池在高电流密度下工作提供了机会，可与PEM的电流密度相媲美。此外，新电解槽设计非常坚固，在去离子水和普通自来水中都能很好地工作。

　　循环运行

　　为了实现连续的性能，该电解槽以循环的方式运行，其中电极催化剂是双功能的。测试表明，它在水还原反应和水氧化反应中的表现同样出色。这里的一个重要优势是，不需要贵金属。相反，该电池使用了一个改良版的使用氮掺杂多孔碳作为载体的催化剂，该催化剂是由Yan和Gadi Rothenberg教授早先为燃料电池和超级电容器应用开发的。这些高度多孔和结构化的材料现在已经被博士生Jasper Biemolt用作铁钴合金及其磷化物衍生物的载体。

　　扩大该电池技术的规模需要未来付出更多努力。联合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液中工作电极和辅助电极的动态行为。

　　文献参考：

　　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