从传统能源方式迈向清洁能源方式是时代发展所需,现在,各个国家正在经历各种形式的能源生产、转换、储存和使用方式的巨大变化。在此背景下,规模化制氢成为世界范围广泛关注的问题之一。氢能的推广和利用作为全球碳减排的一种重要形式,目前仍处于其生命周期的早期阶段。其中,最为关键的问题是:能否实现规模化制氢?如果可以,那么以何种方式实现规模化、低成本制氢?实际上,这也决定了下游氢能利用产业链的经济性和竞争力。 1、绿氢途径结合可再生能源的利用,是实现终极零碳排放制氢的唯一途径。但是现阶段存在的主要问题在于,一方面,电解技术的成本较高;另一方面,运输和储存基础设施部署较薄弱,导致从制氢到运输和应用整体价值链的成本较高。
2、近年来,澳大利亚科廷大学邵宗平教授课题组对于开发钙钛矿材料用于碱性条件电解水,进行了一系列基础研究。他们发现钙钛矿材料不仅催化活性高,而且原料成本低、制备工艺简单,具备碱性电解水工业化应用的基础。
1)该团队首次证明了钙钛矿用于实际大电流电解水制氢的可行性。通过装配复合钙钛矿阳极和铂/炭阴极的电解槽在 60℃ 及 2V 电压下,表现出 2.01A cm−2 的大电流密度,并且在大电流密度操作下性能稳定。其中,在 2.28V 和 2.42V 的电解电压下,分别实现了 2A cm−2 和 3A cm−2 的大电流电解水,并揭示出钙钛矿催化剂潜在的应用价值。
2)审稿人对该研究评价称,“这篇论文中,作者首次证明了钙钛矿用于实际高速率水分解的可能性。这是一项新颖的研究,因为通常在低电流密度和室温下评估的钙钛矿已经在阴离子交换膜电解槽(Anion Exchange Membrane Electrolyzer Cell,AEMEC)中得以应用,并取得了令人满意的器件级水分解性能。”
3、证明钙钛矿用于碱性膜电解槽技术可实现卓越性能:AEMEC 作为一种新兴的电解水技术,由于其碱性条件相对温和,为电极材料和结构设计提供更多的可发挥空间。其有望解决传统碱性电解槽效率低,以及质子交换膜电解槽(Proton Exchange Membrane Electrolyzer Cell,PEMEC)使用贵金属催化剂价格昂贵的问题。该研究发现具有 Ruddlesden-Popper(RP)层状钙钛矿和单钙钛矿(single perovskite,SP)复合相组成的钙钛矿结构(RP/SP),其两相之间强烈的界面相互作用对于促进晶格氧参与水氧化机制具有重要意义。邵宗平指出,对于晶格氧参与的氧气析出过程而言,提高温度加快了氧离子的迁移速率,使得催化剂的活性显著增强。
1)在这项研究中有两个值得关注的关键点,其一是钙钛矿的大电流电解水。目前,在钙钛矿可作为高效的碱性电解水催化剂方向,已经有较多的文献报道。但是文献中关于钙钛矿催化剂的性能评价,基本都关注在小电流(10mA cm-2)和室温的操作条件,这与实际应用中的高温、大电流相差较远。 2)而该研究首次证实了钙钛矿可以用于大电流(2-3A cm-2),60℃ 的操作条件,并且可以稳定运行,奠定了钙钛矿作为潜在的 AEMEC 电极材料的基础。值得关注的是,钙钛矿合成工艺简单、易于放大,更加适合作为低成本电极材料。 3)其二是钙钛矿的双功能性。钙钛矿既能够作为阳极催化剂用于氧气析出反应,又可以作为阴极催化剂用于氢气析出反应。因此,将其负载在泡沫镍上形成的多孔电极,可以同时作为阳极和阴极装配得到一个对称的碱性膜电解槽。“对于规模化生产而言,这大大降低了装配的工艺难度。”邵宗平表示。
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