新一代電解槽產生氫氣速度比傳統裝置快3倍,有望慳錢又持久
2020年03月13日08:09

原標題:新一代電解槽產生氫氣速度比傳統裝置快3倍,有望慳錢又持久

在新電解槽中,改進的離子傳導膜(右側黃色膜)可以使水產生氫氣,而不需要昂貴的催化劑。圖片來源:YU SEUNG KIM/洛斯·阿拉莫斯國家試驗室

目前,電解水所用的電解槽價格昂貴,要麼需要昂貴的催化劑,要麼需要昂貴的金屬外殼。近日,研究人員在《自然—能源》發表研究稱,他們製造出一種只需要廉價材料的電解槽。

據《科學》報導,科學家早在200多年前就知道如何將水分解為氫氣和氧氣。因為產生的混合氣體會爆炸,如今最常見的設置是用一層厚的多孔塑料板將陽極和陰極分開。研究人員還使用較便宜的金屬催化劑加速反應,如鎳和鐵。

為使水能更好地傳導離子通過設備,今天最常見的電解槽在水中添加了高水平的氫氧化鉀(KOH)。在陰極或負極,水分子分解成H+和OH-,H+與來自陰極的電子結合形成氫氣,OH-通過膜擴散到陽極或正極,在那裡它們發生反應生成氧氣和水。

美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室化學家Yu Seung Kim說,由於KOH具有很強的腐蝕性,所以工程師必須用昂貴的惰性金屬(如鈦)製造電解槽。

這一缺陷促使研究人員在20世紀60年代開發出一種被稱為質子交換膜(PEM)的電解槽技術。該技術中,隔膜被設計成選擇性地允許H+通過,PEM的催化劑不在電極上,而是被固定在膜的兩端。在這個裝置中,陽極一側的催化劑將水分子分解成H+和OH-,後者立即與催化劑反應生成氧分子。陰極側膜上的催化劑將H+轉化為氫。

因為OH-不會在PEM中遷移,因此電解槽不需要高堿性條件。這種裝置產生氫的速率通常是堿性裝置的5倍。但是這些膜也有自己的缺點:仍然需要一些昂貴的耐腐蝕金屬來承受質子傳導膜產生的酸性條件。它們還需要由鉑和銥製成的催化劑,這些金屬既昂貴又稀有。“根本沒有足夠的貴金屬用於大規模製氫。”Giner電化學公司工程師徐輝(音譯)說。

現在,Kim及其同事聯合華盛頓州立大學的研究人員表示,他們已經將這兩種方法的優點結合起來,所研發的新裝置創造了一個高堿性的環境來促進水的分解,但它是通過將催化劑繫在離子導電膜的相對錶面上實現的。

和KOH一樣,陰極側的催化劑將水分子分解成H+和OH-,前者轉化為氫氣,後者通過陰離子交換膜(AEM)。新裝置的設計目的是創造一個高堿性的局部環境,加速OH-向陽極一側移動,並在催化劑的作用下反應生成氧氣。

該設備膜附近的堿性條件允許電解槽依靠廉價且豐富的鎳、鐵和鉬基催化劑來分解水。由於堿度是局部的,電解槽可以用不鏽鋼製造。Kim及同事們報告說,這種新裝置產生氫氣的速度比傳統堿性裝置快3倍,但仍然比商業上的PEM電解槽慢。“將舊的堿法技術和薄膜PEM技術結合是我們前進的道路。”徐輝說。

(原標題 新一代電解槽有望慳錢又持久)

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