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我校为发展低能耗海水电解制氢技术提供新思路

时间:2021-07-14   来源:化工学院   作者:精细化工国家重点实验室   

近日,Nature子刊Nature Communications以“Energy-saving hydrogen production by chlorine-free hybrid seawater splitting coupling hydrazine degradation”为题刊载我校精细化工国家重点实验室、化工学院研究进展,报道了一种低能耗、阳极无氯腐蚀的混合海水电解制氢新技术。发展氢能经济是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路,可再生能源驱动电解水是最具前景的低碳制氢技术方向之一,但水裂解反应的高理论电压(1.23 V)决定仅通过催化剂与电解工艺优化难以突破性降低制氢能耗与成本。

海水占地球水资源的97%以上,海域风力、太阳能等可再生能源丰沛,在实现大规模可再生能源电解水制氢方面具有得天独厚的优势。我国海洋国土面积约为300万平方公里,海岸线长达1.8万多千米,立足辽阔蓝色国土,发展高效的海水电解制氢技术对我国氢能经济发展、海洋资源开发利用与海洋国防事业意义重大。围绕这一目标,精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授发展了利用光-物质相互作用、电极表面分子吸附优化、超亲水-超疏气界面等策略提升海水电解催化剂活性的新方法,获得质量比活性高于商业铂碳10 - 20倍、寿命延长60余倍的高活性海水电解催化剂(Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 9416;Adv. Mater.,2017, 29, 1700874;Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901333;Adv. Funct. Mater., 2020, 1910028;ACS Nano, 2018, 12, 8017;Nano Energy, 2018, 44, 181;Nano Energy, 2019, 63, 103880)。

混合海水电解反应体系示意图,本技术能耗低于碱性电解水技术40-50%,碳排放量比天然气重整制氢技术降低90%。

在此基础上,研究团队将全电解水反应解耦,在阳极利用肼氧化反应取代高能耗的水氧化过程,在大幅度降低海水电解制氢能耗的同时,高效处理含肼工业废水并拉低制氢成本。这一技术在500 mA cm-2工业电流密度下,电解池效率为60–65%时,电解碱性海水仅需1.0 V电压,能耗低达2.75 kWh m-3H2,产氢速率为9.2 mol h1gcat1,且无阳极腐蚀。本技术适用于海水、工业废水等,与商业化碱性电解水技术相比,能耗降低40–50%,碳排放量比天然气重整制氢技术降低90%以上。

可再生能源驱动的海水电解制氢-含肼工业废水处理联用工艺(上图)。

肼燃料电池或太阳能电池驱动的海水电解制氢-肼降解双功能反应池(下图)。

该技术还可实现水体中剧毒肼污染物的同步快速降解,处理后肼残留值(3 ppb)远低于美国环保署饮用水标准(10 ppb),在高效制氢的同时,净化生态环境。这一技术可与燃料电池或太阳能电池结合,无需供电即可电解海水制氢,在AM 1.5G、100 mW cm-2阳光辐照下,产氢速率可达6.0 mol h1gcat1,为发展低能耗、高经济和生态可持续性的低碳制氢技术方法提供了新的思路。

文章第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士研究生孙富,通讯作者为精细化工国家重点实验室、化工学院王治宇、邱介山教授及北京化工大学孙晓明教授。

工作得到了国家自然科学基金委、辽宁省科技厅、大连市科技局和学校的共同资助支持。

文章地址:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24529-3

编辑:秦博昱   
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