首次!乔世璋院士/郑尧,新发Angew!低成本无膜电解水制氢!

学术   2024-11-09 20:58   广东  

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研究背景
电解水生产氢气(H2)是解决全球能源危机最有前途的技术,因为其可在环境条件下使用可持续的风能和太阳能发电。然而,传统质子交换膜水电解槽(PEMWE)或碱性水电解槽(AWE)生产氢气的成本远高于化石燃料重整生产氢气的成本,导致绿色氢气产量仅占全球氢气总产量的0.1%。目前,绿色制H2的两个主要障碍:(1)使用膜分离阴极的H2和阳极的O2,以避免危险问题,这些问题既昂贵又脆弱;(2)阳极的析氧反应(OER)动力学缓慢,导致为实现200-1000 mA cm-2的电流密度而需要1.80-2.20 V的工作电压,导致高昂的运行费用。
成果简介
基于此,阿德莱德大学乔世璋教授和郑尧教授(共同通讯作者)等人首次报道了一种基于一类铜(Cu)-基尿素氧化反应(UOR)催化剂的高效且稳定的无膜电解系统。在无氧条件下,新型Cu-基催化剂(CuxO)具有100%的UOR选择性和82.62%的N2产物选择性,比传统镍基UOR催化剂高4倍。因此,这确保了以CuxO阳极构建的无膜双电极单电池系统具有超高的H2法拉第效率(90%以上),避免了H2和O2混合的危险问题,减轻了硝酸盐还原反应(NORR)竞争反应。
一系列原位光谱表征表明,CuxO上独特的N2选择性和OER惰性归因于一种新的类肼类*N2Hy中间体介导的UOR机制,与在Ni-基UOR催化剂上观察到的NO2-/NO3-生成机制有显著不同。此外,作者组装了一个工业型无膜水电解槽(MFE),将电力消耗从5.17 kWh Nm-3(商用AWE)减少到3.78 kWh Nm-3,节省了26.89%的电力。由于消除了对膜的要求,并且节省了大量电力,MFE工厂成功地以较低的成本(1.81美元/kg)生产H2,而不是灰制H2(2.50美元/kg),突出了本无膜系统的经济可行性和实用性。
相关工作以《Membrane-Free Water Electrolysis for Hydrogen Generation with Low Cost》为题在《Angewandte Chemie International Edition》上发表。
图文导读
在1 M KOH和0.33 M尿素电解质下,CuxO上的UOR活性明显优于Ni(OH)2。在1.65 V时,CuxO上的UOR电流密度高达1.0 A cm-2,约为Ni(OH)2的18倍,是“最著名”的Ni基UOR催化剂之一。更重要的是,对于CuxO,N2是应用电位的主导产物,在1.40 V下,法拉第效率(FE)和选择性分别高达73.50%和82.62%。在一系列Cu-基UOR催化剂上也观察到独特的N2选择性,并且可随着尿素浓度的增加而进一步提高。
图1. CuxO的UOR性能
图2. CuxO的原位光谱表征
结合ATR-IR光谱数据和电化学结果,作者提出了Cu-基催化剂上可能的UOR机制。首先,Cu2+活性物种表现出类似脲酶的功能,将尿素转化为NH3和CNO-。NH3被脱氢并偶联形成*N2Hy中间体,然后脱氢生成N2产物。然而,Ni-基催化剂的光谱中没有观察到明显的*N2Hy中间体和NH3的振动峰,遵循OH辅助尿素C-N键裂解生成NO2/NO3产物的常规途径。
图3.可能的UOR机制
在两电极(NiMo合金为阴极)无膜单电池电解过程中,作者使用CuxO作为阳极。随着电流密度(H2的FE为90%)的增加,密封电池顶空的H2浓度不断增加。在使用Ni(OH)2作为阳极的电池,由于NO2/NO3扩散到阴极引发的竞争性NORR,H2的FE小于75%。需注意,在高电流密度(300 mA cm-2)下,CuxO体系中没有检测到O2,而Ni(OH)2体系中O2浓度显著升高。在300 mA cm-2的高电流密度下,CuxO体系中H2 + O2的体积比例为100.00%,而在Ni(OH)2体系中该值为81.87%。此外,高H2纯度和无副反应干扰也保证了CuxO体系在50—500 mA cm-2的宽电流密度范围内具有优异的稳定性。
图4.无膜CuxO和Ni(OH)2单电池系统示意图及其性能
作者开发了工业型MFE,在65 ℃时,可在1 M KOH和1 M尿素电解质中以300 mA cm-2工作70 h以上。随着电流密度的增加,检测到的H2的FE仍保持在无O2的情况下,避免了H2-O2混合引起的可燃性风险。
在30 wt%KOH和1 M尿素电解质条件下,该MFE仅需要1.42 V和1.58 V即可获得100 mA cm-2和200 mA cm-2的电流密度,远远优于商用AWE。在200 mA cm-2和300 mA cm-2条件下,MFE的用电量分别只需要3.78 kWh Nm-3 H2和4.12 kWh Nm-3 H2(基于H2的FE为92%),比商用AWE分别节省了26.89%和25.22%的电力输入。
图5.工业型MFE的性能
文献信息
Membrane-Free Water Electrolysis for Hydrogen Generation with Low Cost. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, https://doi.org/10.1002/anie.202417987.


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