【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所陳長倫研究員團隊聯(lián)合合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實驗室)氫能源氨應(yīng)用研究中心，在兩步法電解水制氫研究方面取得系列成果。相關(guān)成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal和Journal of Colloid and Interface Science等國際期刊。
在“雙碳”目標(biāo)背景下，氫能作為清潔無碳的二次能源及優(yōu)質(zhì)能量載體將在能源結(jié)構(gòu)變革中發(fā)揮重要作用。目前，電解水因其綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活及產(chǎn)氫純度高等優(yōu)勢被認為是高效且有發(fā)展前景的制氫技術(shù)。然而，在傳統(tǒng)堿性電解槽中，氫氣和氧氣同時產(chǎn)生，即便使用昂貴的膜分離器，在高壓下也無法完全避免氫氧混合；另外由于可再生能源頻率/功率的波動性，使傳統(tǒng)堿水制氫難以與其匹配。為此，兩步法電解水制氫技術(shù)通過一個能夠存儲和釋放電子的雙極電極將產(chǎn)氫和產(chǎn)氧步驟完全拆分而不受限于時間和空間，在不使用膜分離器情況下實現(xiàn)高效制氫，突破了高壓制氫氣體滲透混雜這一技術(shù)瓶頸。兩步法電解水制氫與傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)相比，具有空間優(yōu)越調(diào)變性、簡化工藝、降低造價、提高制氫效率等獨特優(yōu)勢。
兩步法電解水制氫關(guān)鍵在于高性能雙極電極材料制備和電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計。兩步法電解水系統(tǒng)常用的雙極電極材料是氫氧化鎳，但其電子緩沖性能需要大幅提高以及充放電性能穩(wěn)定問題，基于此，課題組采用簡單的一步電沉積法在碳布基底上合成少量鈷摻雜的柔性氫氧化鎳雙極電極。結(jié)果表明適當(dāng)?shù)拟挀诫s能提高電極電導(dǎo)率和電子緩存性能，并能引起電荷再分配，并且避免在初始產(chǎn)氫過程中發(fā)生寄生的產(chǎn)氧現(xiàn)象[1]。
制備具有突出催化活性和優(yōu)良穩(wěn)定性的非貴金屬產(chǎn)氫產(chǎn)氧雙功能催化劑對于堿性水電解制氫有重要意義。課題組設(shè)計了蜂窩狀三維摻鉬磷化鎳鈷和氧等離子體誘導(dǎo)的均相鐵復(fù)合鈷氧化物/磷化物納米線雙功能電催化電極，具有高耐久性和優(yōu)良活性，且析氫和析氧過電位均較低。采用氫氧化鎳雙極電極并通過切換電流方向的方式實現(xiàn)不同時間、地點的產(chǎn)氫和產(chǎn)氧，電解槽具有較低的槽壓、較高的解耦效率和能量轉(zhuǎn)換效率[2，3]。
層狀雙氫氧化物是一種高容量電極材料，但其有限的電容量和固有的差導(dǎo)電性及穩(wěn)定性限制了其在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。目前對層狀雙氫氧化物電極材料的修飾方式有多種，然而往往比較繁瑣或是需要嚴(yán)苛的高溫條件以及有毒/污染性的化學(xué)試劑。基于此，課題組采用綠色且高效的低溫等離子體技術(shù)輔助制備了氮摻雜鎳鈷層狀雙氫氧化物和氮摻雜還原氧化石墨烯/鎳鈷層狀雙氫氧化物雙極電極，有效提升了電極的電容量和導(dǎo)電性等性能[4，5]。
兩步法電解水制氫在大規(guī)模電解儲氫和野外分散式風(fēng)光儲氫,如5G基站、數(shù)據(jù)中心等數(shù)字新基建中具有重要意義。目前合作團隊設(shè)計制造出兩步法電解水制氫的試驗裝置，已被授權(quán)5項國家發(fā)明專利。此外，團隊綜述了海水電解制氫的原理和研究進展；各種電催化劑的設(shè)計策略；電催化劑性能評價；電解機理等，最后提出了海水電解技術(shù)的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)以及未來氫能生產(chǎn)的發(fā)展方向[6]。合作團隊在兩步法電解水制氫的性能指標(biāo)與國內(nèi)外先進指標(biāo)同步，同時在工業(yè)化運行方面(設(shè)備和控制)邁出了重要一步。
相關(guān)研究得到了合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實驗室)和國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
圖1. 兩步法堿水制氫原理圖
圖2. 等離子體輔助制備高容量雙極電極用于兩步法電解水制氫
圖3. 雙極電極為隔板的壓濾型電解槽(左)，全自動控制系統(tǒng)(中)，兩步法電解水裝置(右)
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