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第一作者：xintong gao
通讯作者：乔世璋，郑尧
通讯单位：阿德莱德大学
文献链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202417987
摘要
本研究提出了一种创新的无膜水电解制氢系统，通过使用基于铜的尿素氧化（UOR）催化剂，实现了低成本、高效率的绿色氢气（H2）生产。该系统不仅从根本上消除了氢气与氧气混合引发的爆炸风险，还去除了昂贵且易损的膜组件。实验结果表明，该系统在无膜电解工作中展现了最高的H2法拉第效率，并成功将工业型无膜水电解装置（MFE）的电力消耗降至3.78 kWh/Nm3，显著低于商业碱性水电解装置（AWE）的5.17 kWh/Nm3。技术经济分析（TEA）显示，该无膜设计和降低的电力输入使得绿色H2生产成本降至1.81美元/公斤，低于灰氢成本，符合欧洲委员会和美国能源部设定的技术目标。
研究成果
阿德莱德大学乔世璋教授和郑尧教授在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“Membrane-Free Water Electrolysis for Hydrogen Generation with Low Cost”的论文，研究团队开发了一种新型的无膜水电解系统，该系统利用尿素氧化反应（UOR）替代传统的阳极氧气进化反应（OER），使用一类新的基于铜的催化剂（CuXO），在热力学上更为有利。该系统不仅避免了氢气与氧气的混合，还去除了对膜的需求，显著降低了电力消耗和生产成本。通过一系列原位光谱学研究，揭示了CuXO催化剂上独特的N2选择性和OER惰性，这些特性归因于一个新的以*N2Hy中间体介导的UOR机制。
论文亮点
1.无膜设计：首次提出无膜水电解系统，消除了氢气与氧气混合的风险，同时去除了昂贵的膜组件。
2.高效率：展示了最高的H2法拉第效率，电力消耗降至3.78 kWh/Nm3，远低于商业装置。
3.低成本：通过技术经济分析，证明了该系统能够将绿色H2生产成本降至1.81美元/公斤，低于灰氢成本。
4.新机制：揭示了CuXO催化剂上独特的N2选择性和OER惰性，归因于一个新的以*N2Hy中间体介导的UOR机制。
图文导读
图2. CuxO的原位光谱表征
图4.无膜CuxO和Ni(OH)2单电池系统示意图及其性能
图5.工业型MFE的性能
结论
本研究开发的无膜水电解系统通过使用基于铜的UOR催化剂，实现了低成本、高效率的绿色氢气生产。该系统不仅提高了H2的法拉第效率，还降低了电力消耗和生产成本，达到了全球2030年的技术目标，为低成本、规模化的H2生产提供了一条有前景的路径。
作者简介
乔世璋，澳大利亚科学院院士(FAAS), 现任澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电池、电催化、光催化等。作为通讯联系人，在 Nature、Nature Energy、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过530篇，引用超过122,858次，h指数为174。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编和 Journal of Materials Chemistry A副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家(近十年有125 篇高被引论文)。
郑尧，教授，2014年博士毕业于昆士兰大学，目前为阿德莱德大学化工学院教授。主要研究方向为电化学能源转化，包括电炼化（electrocatalytic refinery），水裂解，二氧化碳还原等。目前作为第一作者和通讯作者已在Nature Energy, Nature Communication, Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等国际顶级期刊上发表论文170余篇，引用次数超过44,000次，h指数为84。获得澳大利亚研究理事会（ARC）包括Future Fellowship，Discovery Project，DECRA项目共计270余万澳元的资助。他也是科睿唯安（Clarivate Analytics）化学领域的高被引科学家。
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