科研进展丨混合海水电解制氢研究进展

2023-12-25
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海水电解(seawater electrolysis, SWE)是一种很有前景且具有较大成本效益的制氢方法,不仅因为海水资源非常丰富,而且海水电解能够方便地与海上可再生太阳能及风能结合制取绿氢。然而,直接海水电解制氢长期以来一直面临巨大的技术挑战,主要包括较高的电能需求和阳极析氯反应(chlorine evolution reaction, CER)的干扰,直接导致了海水电解槽具有较低的能量效率低和较短的工作寿命。因此,迫切需要发展新的电解槽设计来解决这一难题。混合电解海水(hybrid seawater electrolysis)制氢即是最近一两年提出的一种新的解决方案。混合海水电解制氢利用在热动力学上更有利的小分子阳极氧化反应(anodic oxidation reaction, AOR)或氧化还原介质(redox mediator)的电氧化来取代高能耗的析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)。因为AOR的发生电位远远低于OER和CER(见图1),海水电解即使在较高的电流密度下也不会有析氯副反应的发生,从而解决了海水电解时阳极析氯这一难题。同时,由于AOR的电位比较低,电解海水制氢的电能需求也将大大降低,从而有望大幅削减制氢的成本。更为重要的是,如果使用醇类、醛类或生物质衍生物的阳极氧化来取代OER,在海水制氢的同时,还可以生产具有高附加值的化工品或燃料,进一步增加海水制氢的经济可行性。

图1 几种常见小分子的阳极理论氧化电位

​刘利峰研究员及其合作者较早地将小分子阳极氧化辅助水分解应用到了海水电解制氢的实验中。他们在2021年报道了Co-Ni-P/CP双功能自支撑电极可以实现水合肼氧化辅助的海水电解制氢,在0.533伏的小电压下可取得500 mA/cm2的大电流密度,而且没有析氯反应的干扰(J. Mater. Chem. A 2021, 9, 22248)。进一步地,他们探索了尿素分子氧化辅助的海水电解制氢,并成功地证明了在无贵金属催化剂参与的情况下,尿素氧化辅助电解海水制氢可以在500 mA/cm2的大电流密度下连续工作1000小时无明显的性能衰减(Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2206138),证明了该技术路线在实际中的可行性。此工作受到了国内一家风投公司和英国一家电解水相关初创公司的关注。

基于前期的研究基础,刘利峰研究员及其团队的客座研究员余志鹏博士近日受Advanced Materials编辑Flóra Kiss博士的邀请,在该杂志上撰写了一篇题为“Recent advances in hybrid seawater electrolysis for hydrogen production”的综述文章(Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.202308647,见图2),系统总结了混合海水电解制氢目前的研究现状,包括几种混合海水制氢的方式及其优缺点以及最新的自驱动混合海水制氢的概念等。同时,该文章也对目前混合海水电解制氢中遇到的挑战及未来应该努力的方向提出了自己的观点。该综述为混合海水电解制氢研究方向上第一篇综述性文章。松山湖材料实验室为文章的第一单位。

图2 综述文章的截图

 

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308647?af=R

 

撰稿:能源转换与存储材料团队