一種新的水分解技術,可產生乾淨的氫氣

2020-12-04 科技報告與資訊

電解氫的生產需要使用電能從水中生成氫，理想情況下，電能可來自可再生能源，例如陽光和風。儘管這種生產氫氣的方法是提高可持續性的解決方案，但研究人員必須克服幾個關鍵挑戰才能使其普及。

在《 Nature Energy》的一項最新研究中，以色列理工學院的一組研究人員解決了其中一些挑戰，提出了一種新的水分解技術，可以增強現有的電解氫生產方法。他們的研究從以前的一項有關光電化學（PEC）水分解的研究中汲取了靈感，在該研究中，他們試圖結合太陽能和水（光）電解從陽光和水中產生氫。

之前的研究中最大的挑戰之一是從分布在太陽能領域的數百萬個PEC 電池中收集氫氣。在他們的研究中，基於Technion的研究人員試圖開發一種可以有效應對這一挑戰的技術。

「以光伏（PV）太陽能發電廠為基本方案，該太陽能發電場由數百萬個單獨的PV電池組成，其中每個電池的電流（和電壓）都收集到一個金屬網格中，」 研究人員Avner Rothschild介紹到，「用電很容易，但用氫氣則不容易。」

在未來理想的PEC太陽能發電廠中，PV電池將被PEC電池取代，PEC電池可在稱為陰極室的組件中產生氫氣，並在稱為陽極室的單獨腔室中產生氧氣。這兩個隔室應至少用薄膜隔開，以確保氫和氧不會混合，因為這會引起爆炸。另外，必須從每個單獨的電池中收集氫氣。

迄今為止，此方案被認為是技術上有難度且成本較高的，因為它需要非常昂貴的管道。最終，這使得通過PEC水分解實現大規模製氫方案的實現變得不現實。

「我們提出了將PEC電池中的氧氣和氫氣隔室分成兩個單獨的電池的想法，以便氧氣在太陽場中產生並釋放到大氣中，而氫氣是在該區域一角的中央反應器中產生的。」 Rothschild說。「分隔成兩個單元是通過將另一組的兩個電極，稱為輔助電極，正在充電並且由OH同時排出成為可能-參與離子水分解反應，從而介導的兩個小區之間的離子交換。」

在之前發表於《Nature Materials》上的論文中，Rothschild及其同事提出了一種具有顛覆性的水電解（電解器）和光電解（PEC）體系結構新方法。然而，這種有前途的方法帶來了另一個挑戰，即在生產周期結束時，當輔助電極飽和時，需要使它們再生。研究人員建議可以在每個循環結束時更換電極，但這很麻煩，因此他們繼續探索替代解決方案。

Rothschild說：「後來我們發現在對氫電池中的輔助電極進行加熱時，將其充電（變成NiOOH）後，它會自發釋放氧氣氣泡並再生到其初始狀態（Ni（OH）2），這項發現促進了本研究中介紹的E-TAC水分解工藝的發展。」

E-TAC是Rothschild和他的同事提出的一種新的水分解技術，具有98.7％的高能效，因此，它的性能明顯優於傳統的電解槽，而傳統電解槽的狀態最先進的設備通常也只有70％到80％。E-TAC的另一個優點是它可以順序產生氫和氧，而在大多數其他電解槽中，它們是同時產生的。最終消除了對用於分離氫氣和氧氣的膜的需求，從而大大簡化了電池的構造和組裝以及它們的操作和維護。

「潛在地，這可能會節省大量資金和運營成本，從而開發出具有成本效益的水分解技術，該技術可與SMR（蒸汽甲烷重整）競爭，提供廉價的氫氣且無CO 2排放，但前提是電力來自可再生能源，例如水力，太陽能或風能。」 Rothschild說。

在常規的水電解中，氫和氧總是總是分別在陰極室和陽極室中同時產生。隔室儘可能彼此靠近放置，以最大程度減少電流損失，並且隔室由膜隔開，以免產生爆炸性的H 2 / O 2混合物。

「陰極減少了水，產生氫（H 2個分子）和氫氧根離子（OH - ）通過被稱為HER（氫生成反應）的反應，」 Rothschild說。「OH - 離子通過電解質和膜，在那裡它們通過OER（氧析出反應）氧化遷移到陽極，這兩個反應（HER和OER）完成水分解反應：2H 2 2H 2 + O 2。 」

在常規的水電解中，Rothschild描述的兩個電化學反應在時間和空間上同時發生，因為它們同時發生在同一池中且非常接近。而且，無論該工藝應用於鹼性電解池還是PEM電解池，這些特性都相同。

與這種傳統的水電解方法不同，研究人員設計的水分解過程使HER和OER反應解耦，而HER和OER反應發生在不同的時間，並且可能發生在設備的不同部分。因此，E-TAC不是連續的，而是可以描述為具有兩個循環的「分批過程」，第一個循環以電化學方式產生氫，第二個通過自發化學反應產生氧。

Rothschild說：「我們將陰極（與鹼性電解中使用的陰極相同）和陽極（與常規電解中的陽極不同）放置在電解池中，並使它們之間通過電流。陰極通過HER反應產生氫，就像它在常規的水電解的情況下，但在陽極做了完全不同的東西的陽極基本上被通過吸收OH充電。-即在陰極產生的離子，並且逐漸從Ni（OH）2（氫氧化鎳）轉變為NiOOH（羥基氧化鎳）。」

有趣的是，在陽極中發生的反應與鹼性電池（例如Ni-MH電池）充電時在陰極發生的反應相同。這表明它可以像在鹼性電池中一樣，在許多次循環中都能正常工作。

但是，有時有時需要中斷E-TAC過程中陽極的充電，因為如果陽極過度充電，它可能會開始產生氧氣。因此，當電荷超過一定水平時，研究人員需要限制施加至電池的電壓，以避免由氧氣和氫氣的聯產產生的爆炸可能。

Rothschild解釋說：「為了繼續進行E-TAC工藝，我們需要將帶電的陽極（NiOOH）再生回到其初始狀態（Ni（OH）2）。」 「我們這樣做是通過提高其溫度，從而加快帶電的陽極與水之間的自發化學反應的速度，從而釋放出氧氣並使陽極再生回到其初始狀態。」

Rothschild及其同事設計的技術因此需要使用熱量來控制產生氧氣的化學反應，因為反應速率在低溫下會變慢，而在高溫下會加速。氫氣的產生在低溫或環境溫度下發生，氧氣的產生在約95攝氏度的高溫下發生。這就是為什麼研究人員決定將其稱為E-TAC工藝的原因，該工藝代表電化學-熱活化化學工藝。

「在本文提供的概念驗證實驗室測試中，我們手動將陽極從冷池（即在室溫下充滿鹼性水溶液的玻璃燒杯）移至熱池（即相同類型的燒杯，但加熱到95攝氏度），因此氫氣和氧氣生成之間的分離不僅及時而且適當。」 Rothschild解釋說。「但是，在現實世界的工業系統中，我們預見到了兩種不同的情況，即兩個電極（陽極和陰極）和固定電極（不移動），而其中依次填充冷或熱電解質溶液的電池。 」

分離氫氣和氧氣的生產，從而無需使用膜將電解池內的兩個不同腔室分隔開，與傳統的電解方法相比，可節省大量成本。實際上，密封膜通常是昂貴的，並且也使整個生產過程複雜化。常規系統中的膜需要高純度的水並需要持續的維護，而這在E-TAC中是不必要的。

此外，Rothschild及其同事設計的技術完全消除了氧氣和氫氣之間易揮發的相遇以及爆炸的風險。另一方面，在傳統系統中，這種風險仍然存在，因為膜可能會撕裂或密封層破裂。

Rothschild說：「目前，膜的使用也限制了制氫的壓力。E-TAC使膜變得不必要，從而促進了在更高壓力下的制氫並消除了稍後壓縮氫氣的一些高成本。此外，在我們提出的新工藝中，氧氣是通過帶電後的自發化學反應產生的陽極和水，而無需使用電流。該反應消除了氧氣生產過程中的電力需求，使用常規方法將能量效率從70％提高到80％，達到前所未有的98.7％。」

Rothschild及其同事開發的這項技術可以降低可持續制氫的運營成本和設備成本。研究人員估計，基於E-TAC的設備的生產成本約為現有技術的一半。

「我們發明的工藝代表了水分解的概念性突破，並且鑑於其所提供的優勢，它可能會改變遊戲規則，並導致一種從無CO 2排放的水中制氫的新技術，該技術可以與SMR競爭生產清潔的氫氣並實現從化石燃料到清潔氫燃料的過渡，」 Rothschild說。

在完成論文撰寫後，研究人員為他們的發明申請了專利，並創立了一家名為H 2 Pro 的初創公司，其任務是開發和分配基於E-TAC技術的新水處理技術。他們希望通過擴大研究中使用的電極和電池，基於E-TAC的水分解工藝建造和測試製氫機，優化其運行方案並檢查高壓制氫技術，來使該技術儘快商業化。

「我們還計劃進行進一步的學術研究，以研究新的電極材料，並應用先進的分析方法來了解電極組成與微觀結構及其功能特性之間的關係，以開發下一代基於Ni（OH）2的電極用於我們的E-TAC水分解工藝，」 Rothschild說。「我們的目標是通過快速充電和再生速率來提高其容量（以便我們可以運行更長的過程），以實現高氫氣生產率。」

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