点击蓝字--关注我们
氢能科研助手
传统水电解技术依赖于成本高昂的膜-电极组件，并且在阳极发生的析氧反应（OER）进程缓慢，这导致绿色氢气（H₂）的生产成本远高于灰色氢气。本文介绍了一种创新且高效的无膜水电解系统，该系统成功解决了上述两大难题。该系统通过利用热力学上更为有利的尿素氧化反应（UOR），在一类新型基于铜的催化剂（CuₓO）上生成纯净的N₂，从根本上避免了H₂与O₂混合可能引发的爆炸风险，并消除了对膜组件的需求。
值得注意的是，该无膜电解系统在已报道的无膜电解工作中展现出了最高的H₂法拉第效率。原位光谱研究揭示了CuₓO催化剂上新型N₂Hᵧ中间体介导的UOR机制，这是其实现卓越N₂选择性和OER惰性的关键所在。
更为重要的是，基于该系统开发的工业型无膜水电解器（MFE）成功地将电力消耗降低至仅3.78 kWh Nm⁻³，这一数值显著低于商业碱性水电解池（AWE）的5.17 kWh Nm⁻³。全面的技术经济分析（TEA）进一步表明，MFE工厂所采用的无膜设计以及电力输入的减少，使得绿色H₂的生产成本降低至每公斤1.81美元，这一成本不仅低于灰色H₂，还达到了欧洲委员会和美国能源部所设定的技术目标（每公斤2.00至2.50美元）。
研究背景
传统水电解工艺受限于高昂的膜-电极组件成本，且阳极上的析氧反应（OER）动力学迟缓，这直接推高了绿色氢气（H₂）的生产成本，使之相较于灰色氢气显得不具竞争力。鉴于此，研发一种兼具经济性与高效性的水电解制氢新技术，对于应对全球能源挑战具有举足轻重的意义。为突破上述瓶颈，我们需同时解决两大难题：一是高昂的膜-电极组件成本，二是阳极析氧反应（OER）的缓慢进程。此外，氢氧混合可能带来的爆炸风险，以及电解过程中能耗的居高不下，也是当前亟需攻克的技术难题。
研究亮点
1.成功研发了一款新颖且高效的无膜水电解系统，该系统利用尿素氧化反应（UOR）在一种创新的铜基催化剂（CuₓO）上生成纯净的氮气（N₂），此举从根本上规避了氢氧混合可能引发的爆炸危险，并彻底摒弃了对膜组件的依赖。
2.该系统在无膜电解领域展现出了卓越的性能，其氢气法拉第效率高达90%以上，这是目前已知报道中的最高水平。通过一系列原位光谱分析，我们深入揭示了CuₓO催化剂所具备的非凡N₂选择性和对析氧反应（OER）的惰性。
3.进一步的技术经济分析（TEA）显示，得益于其无膜设计和电力输入的显著降低，该系统的绿色氢气生产成本已降至每公斤1.81美元，这一价格低于灰色氢气的生产成本。
研究成果
基于该系统设计的工业型无膜水电解池（MFE）在能效方面取得了显著突破，成功将电力消耗从商业碱性水电解器（AWE）的5.17 kWh/Nm³削减至3.78 kWh/Nm³，实现了26.89%的电力节省。
具体而言，在200 mA cm⁻²和300 mA cm⁻²的电流密度条件下，MFE分别仅需3.78 kWh/Nm³ H₂和4.12 kWh/Nm³ H₂的电力消耗，相较于商业AWE，分别节省了26.89%和25.22%的电力输入。
此外，该研究通过一系列先进的原位光谱测量技术（包括拉曼、XANES、ATR-IR和DEMS）深入探究发现，CuₓO催化剂所展现出的独特N₂选择性和对OER的惰性，源自一种新颖的*N₂Hᵧ中间体介导的UOR机制。这一机制与传统的UOR过程截然不同，后者往往会产生有害的NO₂⁻/NO₃⁻副产物，并伴随OER的发生。
该文献通过创新性地研发一种无膜水电解系统，不仅显著提升了氢气的生产效率，而且有效削减了生产成本，为绿色氢气的大规模工业化生产开辟了一条极具潜力的新途径。
本文由氢能助手提供
关注我吧--氢能科研助手
氢电科技系列产品9
