Advanced Materials:碱性电解水技术的前世、今生、未来

利用电流分解水产生氢气和氧气这一教科书上的著名化学反应对于完成碳中和目标息息相关。

氢气在空气中燃烧后不仅释放大量能量,而且产物仅有水,不产生二氧化碳等温室气体,因而是一种绿色新能源,有望取代储量有限、燃烧释放温室气体的化石能源(煤、石油等)。

如今蓬勃发展的氢能源汽车便是一例。

(依靠氢能运转的社会构想图。图源:Advanced Materials

电分解水这个反应虽然简单,但要想将之应用于氢能源产业,还有诸多问题有待解决:比如,如何大规模制备产氢、产氧催化剂以提高电解效率?如何将太阳能、风能、潮汐能等清洁能源转化为电解水所需的电能?如何安全地存储、运输易燃易爆的氢气?……回顾过去是为了更好地展望未来。中科大俞书宏教授课题组近期在Advanced Materials全面总结了碱性电解水技术发展的前世、今生和未来。如果新入电解水这个领域,这篇文章是您获取领域研究进展的不可错过的“百科全书”。

【文章要点】

碱性电解水的前世

电解水发展历史的三个时期。图源:Advanced Materials


1. 1789年,荷兰科学家Paets van Troostwijk与Deiman发现了电解水现象。直到1888年,俄国物理学家Dmitry Lachinov将碱性电解水过程成功运用到了工业生产中。因而碱性电解水这一技术已有100余年了。

2、早期碱性电解水通常使用20-40 wt.% KOH水溶液、镍基催化剂。电解电压2 V,电解电流近300 mA/cm2,电解效率~70%。性能主要受限于电解产生的大量氢气泡、氧气泡增加电解池内部电阻。

3、1966年Nafion质子交换膜的使用取代了KOH水溶液,使得气泡增加内阻的问题得到解决。但质子交换膜的成本较水溶液高。

碱性电解水的今生

1. 当下碱性电解水的研究方向主要有二:其一,如何将可再生能源运用到电解水中;其二,如何利用新型催化剂进一步降低电解水产氢的成本。

2. 目前已报道的催化剂包括过渡金属氧化物、金属(氧)氢氧化物、金属硫属化合物、金属磷化物和金属氮化物的产氧催化剂,以及过渡金属合金、硫系化合物、磷化物和碳化物的产氢催化剂。当然,具有同时催化产氢、产氧的双功能催化剂的发展势头也不容小觑。

3. 除设计、制备催化剂外,通过更换产氧半反应降低整体电解电压也是拉低成本的一条良策。例如将阳极产氧反应替换为尿素氧化反应则能将电解电压降低超过50%。4. 计算模拟技术的发展为理性设计电解水催化剂,阐明电催化活性提供了有力的表征手段。

碱性电解水的未来

电解水技术未来发展需要解决的问题(作者观点)包括:

1. 表征方法、性能评判需要规范于统一。例如,作者们在文中提出催化剂性能优秀的标准是:室温下1 M KOH水溶液中测试,产生10 mA/cm2的电解电流时,产氧催化剂对应的过电势不应高于300 mV,产氢催化剂对应的过电势不应高于100 mV。

2. 利用工况(operando)表征技术揭示电解水性能背后的机理。

3. 继续丰富催化剂的种类。作者们提出含多金属成分的合金或化合物可能是日后新催化剂的来源。性能优异要和高稳定性一同评估。

4. 积极探索催化剂在工业大规模生产条件下的实用性。工业生产不同于实验室研究,其所涉及的条件比实验室表征更苛刻。例如,电流大(>200 mA/cm2)、温度较高(60-80 °C)、电解液浓度高(6-10 M KOH)等。这些实际生产条件将对电解水催化剂带来更为严峻的挑战。

更多内容及细节请参阅原文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202007100