Nature子刊:氫氧分離電池部件中的光電化學水裂解

2021-02-15 材料人

利用太陽能或者風能電解水是一種提供可持續供應的氫能來驅動燃料電池汽車或者其他儲氫動力的有效途徑。氫氣這種清潔能源大規模應用的巨大限制之一在於制氫的成本。這一問題有望通過光電化學（PEC）水裂解電池在太陽能的作用下將水直接裂解成氫氣和氧氣而得以解決。與傳統水電解池相似的PEC水裂解電池結構只適宜富集鹼性或者高分子電解質薄膜（PEM）電解槽中的氫氣，並不適合分布式PEC電池裡的析氫。較低的聚光密度導致PEC電池在氫氣分離，富集和運輸方面的安全性和經濟型受到巨大的影響。

以色列理工學院化學工程系的Gideon S. Grader課題組和材料科學與工程系的Avner Rothschild課題組合作實現了PEC電池系統裡的析氫和析氧部分的分離，解決了裂解水過程中氫氧共生的問題。電池不同部分之間僅靠金屬導線分離，能夠保證對氫氣有效地富集。設計的PEC結構中太陽能轉換成氫氣的效率可達7.5 %，在使用標準商業化部件，很容易突破10%。與商用光電化學體系相比，分離式PEC電池系統在制氫方面更加安全、廉價。

a, 傳統的鹼性電解質水電解池。

b，a中用鹽橋取代隔膜的電解池。

c，具有可溶性氧化還原媒介的新式PEM電解槽能夠消除析氫和析氧之間的關聯度。

d，鹼性電解液中無隔膜的分離氫氧式電解池。陽極可以被光電陽極或者光電堆疊陽極取代，從而將電解池轉換成直接把水和光能轉換成氫燃料的PEC電池。

a, Vappl在電流為45mA (5mAcm-2) 連續循環20 h的記錄數據。

b，隨著循環次數的增加，對循環時間的記錄。測量條件為室溫，1M NaOH溶液。

圖3 配備有分布式PEC太陽能電池用以產氧和富集氫氣的太陽能氫氣轉換站的圖解


獨立部件的電流密度-電壓(J-V)特性，PV模型（紅色曲線），水電解系統（藍色曲線），耦合PV-電解體系的操作點（綠色點）。紅色X標記PV模型的能量極大值點。黑色點狀線顯示了與供應商參數相同模型基礎的PV模型的J-V特性。插入部分為體系的結構示意圖。

以色列理工的研究團隊們設計了一種部件分離式PEC裂解水電池，這種電池通過分離式部件的構造，實現了太陽光裂解水時的析氧和析氫過程分離，從而有效提高對氫氣的負極，此外氧電極和氫電極之間的離子交換通過可逆的固態氧化還原反應完成，該過程的循環性良好。這一設計不僅適用於PEC電池，還可應用到電解池中。

原文連結： Photoelectrochemical water splitting in separateoxygen and hydrogen cells （Nat. Mater.，2017，DOI: 10.1038/NMAT4876 ） （見下方「閱讀原文」）

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