作者:朱汉斌 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/19 18:22:07
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新型纳米片催化剂实现自驱动电解海水制氢

 

近日,松山湖材料实验室研究员刘利峰团队与意大利拉奎拉大学教授A. Politano团队及南京林业大学教授D. W. Boukhvalov团队合作,采用液相剥离法制备了二维层状PtTe纳米片(e-PtTe NSs)催化剂,实现了自驱动电解海水制氢。相关成果发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

海水电解目前被广泛认为是一种非常有潜景的制氢方式,不仅因为海水资源非常丰富且廉价,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来进行绿氢的制取。然而,由于海水电解过程中阳极竞争性析氯反应的干扰以及电解过程较高的能耗,海水电解长期以来在大规模的应用方面一直面临巨大的技术挑战。

为了寻找应对方案,松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队近几年一直在探索混合电解海水制氢的路径。混合电解海水制氢利用在热动力学上更有利的小分子阳极氧化反应来取代高能耗的析氧反应,从根本上改变了电解槽阳极发生的电化学反应,大大降低了制氢的能耗,同时可以完全避免海水电解过程中析氯副反应的干扰。

详细的电化学表征显示,e-PtTe NSs催化剂对于析氢反应,水合肼氧化反应和氧还原反应均具有较为优异的催化活性和稳定性,因此可以用作多功能电催化剂。基于e-PtTe NSs多功能催化剂,研究团队构建了两种混合海水电解制氢装置:一是采用双极膜并结合水合肼氧化辅助的酸碱双电解液电解海水制氢系统,其在300 mA/cm2的电流密度下运行仅需0.55 V的槽压,能耗仅约为1.3 KWh/m3左右。有趣的是,在低于100 mA/cm2的较小电流密度下电解海水时,该装置不仅不需要外部电力驱动,而且可以在实现产氢的同时进行发电。这样的设计非常符合海水电解槽对外部动态响应灵活性的要求,可以更好地适应可再生能源电解制氢的波动性。

第二种混合电解海水制氢装置由直接肼燃料电池(DHzFC)和水合肼辅助的混合海水电解池构成(OHzSWE)。直接肼燃料电池以e-PtTe NSs作为氧还原和肼氧化的催化剂,其开路电压可达0.94 V,使其能够驱动水合肼辅助的海水电解制氢。DHzFC和OHzSWE的联用可以实现海水电解制氢的自驱动运行。

该工作提出的两种混合海水电解装置在节能且经济高效地制氢方面展现出了巨大的应用前景。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adfm.202403099

 
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