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新一代电解槽有望省钱又持久

发布时间:2020-03-13 03:01内容来源:网络整理 点击:

  目前,电解水所用的电解槽价格昂贵,要么需要昂贵的催化剂,要么需要昂贵的金属外壳。近日,研究人员在《自然—能源》发表研究称,他们制造出一种只需要廉价材料的电解槽。

  据《科学》报道,科学家早在200多年前就知道如何将水分解为氢气和氧气。因为产生的混合气体会爆炸,如今最常见的设置是用一层厚的多孔塑料板将阳极和阴极分开。研究人员还使用较便宜的金属催化剂加速反应,如镍和铁。

  为使水能更好地传导离子通过设备,今天最常见的电解槽在水中添加了高水平的氢氧化钾(KOH)。在阴极或负极,水分子分解成H+和OH-,H+与来自阴极的电子结合形成氢气,OH-通过膜扩散到阳极或正极,在那里它们发生反应生成氧气和水。

  美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室化学家Yu Seung Kim说,由于KOH具有很强的腐蚀性,所以工程师必须用昂贵的惰性金属(如钛)制造电解槽。

  这一缺陷促使研究人员在20世纪60年代开发出一种被称为质子交换膜(PEM)的电解槽技术。该技术中,隔膜被设计成选择性地允许H+通过,PEM的催化剂不在电极上,而是被固定在膜的两端。在这个装置中,阳极一侧的催化剂将水分子分解成H+和OH-,后者立即与催化剂反应生成氧分子。阴极侧膜上的催化剂将H+转化为氢。

  因为OH-不会在PEM中迁移,因此电解槽不需要高碱性条件。这种装置产生氢的速率通常是碱性装置的5倍。但是这些膜也有自己的缺点:仍然需要一些昂贵的耐腐蚀金属来承受质子传导膜产生的酸性条件。它们还需要由铂和铱制成的催化剂,这些金属既昂贵又稀有。“根本没有足够的贵金属用于大规模制氢。”Giner电化学公司工程师徐辉(音译)说。

  现在,Kim及其同事联合华盛顿州立大学的研究人员表示,他们已经将这两种方法的优点结合起来,所研发的新装置创造了一个高碱性的环境来促进水的分解,但它是通过将催化剂系在离子导电膜的相对表面上实现的。

  和KOH一样,阴极侧的催化剂将水分子分解成H+和OH-,前者转化为氢气,后者通过阴离子交换膜(AEM)。新装置的设计目的是创造一个高碱性的局部环境,加速OH-向阳极一侧移动,并在催化剂的作用下反应生成氧气。

  该设备膜附近的碱性条件允许电解槽依靠廉价且丰富的镍、铁和钼基催化剂来分解水。由于碱度是局部的,电解槽可以用不锈钢制造。Kim及同事们报告说,这种新装置产生氢气的速度比传统碱性装置快3倍,但仍然比商业上的PEM电解槽慢。“将旧的碱法技术和薄膜PEM技术结合是我们前进的道路。”徐辉说。(辛雨)

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