EEM | 南京工业大学邵宗平&周嵬综述:电解水制氢——弥合基础研究与工业应用之间的差距

学术   2024-10-18 22:01   河南  

南京工业大学邵宗平教授和周嵬教授Energy & Environmental Materials上发表题为:Electrochemical Water Splitting: Bridging the Gaps between Fundamental Research and Industrial Applications”的综述型论文。


亮点

1. 介绍了电解水制氢的基本原理和类型

2. 针对测试方法、催化剂性能评价及要求、催化剂使用类型和成本等方面,详细对比了基础研究和实际应用场景下的差异

3. 重点对比了不同测试条件下的表面重构过程,包括重构能力和表面催化活性位点的差异

4. 总结了相关电解水催化剂设计的进展,展示了推动实际应用的进程和以及材料科学与实际应用的协同发展


研究背景

相比于石油裂解和水煤气法,电解水制氢纯度高、零碳排放,被视为实现双碳目标的关键技术之一。碱性电解水因其结构简单、电极材料成本低(非贵金属基电催化剂性能优异)等特点而受到广泛关注。质子交换膜(PEM) 电解水相对于碱性电解水的主要优势在于更高的安全性和可靠性,因为不使用腐蚀性电解液。跨膜在高压差下运行的可能性避免了氧气压缩。由于固体和薄膜,PEM电解比碱性电解具有更快的离子传输,该技术可以在比碱性电解槽更高的电流密度下运行。阴离子交换膜电解水制氢(AEM)工艺具有成本低、启停快、耗能少的优点,集合了与可再生能源耦合时的易操作性,同时又达到与PEM相当的电流和效率。虽然AEM可以同时兼具碱性和酸性电解技术优势,但由于处于发展初级阶段,目前AEM的产品寿命、产氢规模等方面是否能够满足商业化运行,还需要进一步的研究。

这些技术的可行性很大程度上取决于所涉及的两个半反应的电化学性能,即阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)。特别地,OER是一个热力学上坡反应(237 kJ mol-1),涉及一个复杂的,逐步的电子-质子耦合过程。因此,OER是整个过程中的瓶颈,与HER工艺相比,需要更高的过电位才能获得所需的电流密度。因此,人们在设计高性能、低成本的电催化剂,特别是OER催化剂方面投入了大量的精力。

基础研究与实际应用的差距是阻碍该技术跨越式发展的主要因素。除了常见的电催化剂设计策略之外,基础研究的其他测试方案如在高腐蚀性电解质和应用装置的高温下工作,也与工业条件下的测试方案有所区别。例如,实验室对设计的催化剂的催化性能评估通常在室温下低浓度碱性电解质(例如,0.1和1.0 M KOH)中进行,而商业碱性电解在工业温度(50-80℃)下使用高腐蚀性电解质(水中KOH含量为20-40 wt.%)进行。因此,弥合基础研究与工业应用之间的差距,将为下一代催化剂的设计提供重要的设计准则和测试方案指导。


图文赏析

图1. 电解水技术中基础研究和工业化应用之间的差异因素


 

图2. 碱性电解槽、PEM电解槽和AEM电解槽的基本构造以及电解槽设计过程中需要考虑的组成和影响因素 


图3. 以碱性电解水为例,对比基础研究和商业化应用情况下操作条件的差异,如运行温度、电解液浓度、性能评价标准和催化剂研究种类等


图4. 以碱性电解水技术为例,电解槽运行过程路线图,以及电解槽系统和电堆成本分布



图5. 不同电解水技术催化剂设计的研究进展


文章链接

Hainan Sun, Xiaomin Xu, Hyunseung Kim, WooChul Jung, Wei Zhou*, Zongping Shao*, Electrochemical Water Splitting: Bridging the Gaps between Fundamental Research and Industrial Applications. Energy Environ. Mater. 2022. e12441 DOI: 10.1002/eem2.12441

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12441

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作者简介

第一作者:孙海南,2020年博士毕业于南京工业大学化工学院(导师:周嵬教授和邵宗平教授),随后加入韩国科学技术院(KAIST)WooChul Jung教授团队从事博士后研究,2023年至今于KAIST任研究助理教授。近年来主要从事清洁能源催化材料与器件方面的研究,已在Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Adv. Sci., Small Methods, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际核心刊物上发表SCI论文40余篇,论文总共被引用1300余次,h-index为22。担任InfoMat、Advanced Powder Materials、Materials Futures、Tunstgen、Nanotechnology and Precision Engineering和Nuclear Analysis等期刊青年编委,以及Molecules等期刊客座编辑。

共同第一作者:许晓敏,于澳大利亚科廷大学西澳矿业学院取得博士学位,目前是科廷大学的助理研究员。他的研究兴趣主要集中在开发用于电化学能量存储和转换的功能材料。已在Adv. Mater., Nat. Commun., Nano Energy, Adv. Sci., Small等期刊发表SCI论文70余篇,论文总计被引用5000余次,h-index为41。担任Energy Reviews期刊青年编委,以及Molecules、Frontiers in Chemistry等期刊客座编辑。

通讯作者:周嵬,南京工业大学化工学院,材料化学工程国家重点实验室教授,博士生导师,海外高层次引进人才,江苏省杰出青年基金获得者,江苏特聘教授,江苏双创人才计划和双创团队领军人才获得者。2009年博士毕业于南京工业大学化学工程专业,博士论文获“全国百篇优秀博士论文提名奖”。博士毕业后获得澳大利亚基金委授予的澳大利亚国家博士后职位(Australian Postdoctoral Research Fellow),于2010年赴昆士兰大学从事研究工作,2015年加入南京工业大学。2015年获江苏省科学技术奖二等奖(2/5),2022年度科睿唯安“全球高被引学者”,2018-2022年度爱思唯尔“中国高被引学者”称号。研究方向包括:绿氢低成本制备关键材料与技术;固体氧化物燃料电池关键材料与热电联供技术;质子交换膜燃料电池催化剂设计和规模化制备技术;新型低温氧还原、析氧双效催化剂;电化学二氧化碳还原;直接碳燃料电池。迄今在国际主流期刊上发表SCI论文400余篇,其中包括Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国际著名刊物,论文总共被引用25000余次,h-index为90。申请中国发明专利60余件,授权30余件。担任Chinese Journal Chemical Engineering、Energy Reviews、Catalysts、《稀有金属》等期刊编委、客座编辑。

通讯作者:邵宗平教授,主要研究领域包括燃料电池(固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池),超级电容器,锂/钠电子电池,陶瓷分离膜,低温氧催化、氢催化反应,水处理,传感器等。已在Nature (4)、Nat. Energy (2)、Nat. Commun. (9)、Sci. Adv. (1)等国际期刊发表SCI论文800余篇。发表的论文引用59000余次,h-index为113,分别于2017-2022年入选世界高被引科学家,2015-2022年入选中国高被引科学家。是国际期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主编,是《南京工业大学学报(自然科学版)》、Scientific Report、Energy Science & Engineering及材料导报、热科学与技术等学术期刊编委,是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊顾问编委。

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(简称EEM,中文名:能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊,主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台,激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策,共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发,促进人类社会可持续健康发展。





发展历程

 


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EEM is an international journal published by Zhengzhou University in collaboration with John Wiley \x26amp; Sons, Inc.
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