水電解過程以及電子移動(dòng)示意圖;圖片來源:韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院。
來自韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院(DGIST)和美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL,美國華盛頓)的研究人員正在開發(fā)一種電催化劑用的薄型碳涂層,他們認(rèn)為這種碳薄膜涂層將比水電解過程所用的傳統(tǒng)貴金屬陽極電極更加便宜。
研究人員還表示,他們研制的這種新型納米結(jié)構(gòu)催化劑可以降低堿性水電解中經(jīng)常出現(xiàn)的、由碳誘發(fā)的腐蝕的速率。
我們預(yù)計(jì)這將會(huì)是一種開發(fā)高金屬含量、低碳含量的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特方法。這些納米結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)了金屬活性位點(diǎn),并在催化劑表面形成薄碳層保護(hù)和超快的電子運(yùn)動(dòng)“,來自大邱慶北科學(xué)技術(shù)院能源科學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的教授SangarajuShanmugam說道:”這還將提高電催化劑的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。
電解過程能夠有效地將水分解成氫氣和氧氣。根據(jù)美國能源部(華盛頓特區(qū),美國)報(bào)道,用于制氫的電解槽通常由陽極和陰極組成,并由電解液分隔開。通過一定的電位差,可以在陽極產(chǎn)生氧氣,在陰極產(chǎn)生氫氣。
碳腐蝕問題
在電催化水解過程中,由于析氧反應(yīng)(OER),陽極會(huì)產(chǎn)生氧氣。然而,與析氫反應(yīng)(HER)相比,這是一個(gè)非常緩慢的反應(yīng)。在這段時(shí)間差中,電解過程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)會(huì)腐蝕電極材料。因此,需要合適的電催化劑(以及保護(hù)電催化劑的涂層)來加快電解時(shí)間并在析氧反應(yīng)階段期間保護(hù)電極材料。
據(jù)研究人員介紹,由于環(huán)境問題日益嚴(yán)重,電化學(xué)能生成及轉(zhuǎn)換領(lǐng)域最近受到了各界廣泛的關(guān)注。因此,OER工藝在燃料電池和水電解槽等可再生能源技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程方面將發(fā)揮著重要作用。
迄今為止,氧化釕(RuO2)和氧化銥(IrO2)經(jīng)常被用作水電解過程中電極的涂層材料。然而,研究人員表示,大多數(shù)電解催化劑碳含量較高而金屬含量較少,這將導(dǎo)致在OER期間具備更快的碳誘發(fā)腐蝕條件,導(dǎo)致電極材料的穩(wěn)定性急劇降低以及一些可擴(kuò)展性問題。
在之前的研究中,研究人員準(zhǔn)備了來自不同前體的碳涂層金屬,包括金屬有機(jī)框架等“,Shanmugam說道:”我們檢測了所獲得的催化劑,它們含有更多的碳含量,而且碳元素覆蓋了很多活性金屬位點(diǎn)。此外,由于大量的碳腐蝕,這些催化劑對于水電解緩慢的OER來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的“。
新型納米尺度方法
為了解決這一問題,來自大邱慶北科學(xué)技術(shù)院和美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在鎳泡沫上封裝了一種電催化劑(這種催化劑是一種富含金屬的、較薄的納米碳層),以取代常用的貴金屬陽極電極。

研究人員使用類普魯士藍(lán)物質(zhì)后發(fā)現(xiàn),當(dāng)在惰性氣氛中加熱至600至900℃時(shí),鈷金屬離子和有機(jī)配體會(huì)轉(zhuǎn)化為鈷金屬和氮摻雜的薄碳石墨層。
薄碳層與鈷金屬有很強(qiáng)的相互作用,它只會(huì)導(dǎo)致較少的碳腐蝕,并且具有優(yōu)異的電子運(yùn)動(dòng)能力。更多的鈷金屬會(huì)暴露于反應(yīng)介質(zhì)中有助于形成納米尺寸形態(tài),而且不會(huì)造成顆粒聚集現(xiàn)象”,Shanmugam說道。
在他們研究的測量值中,IrO2-陽極水電解槽在運(yùn)行95小時(shí)后顯示電池電壓的損失達(dá)到了230mV(14%)。但是,若使用新方法,即使在350小時(shí)之后,電極電壓的損失也僅為60mV(4%)。
Shanmugam解釋說:“總體而言,新方法更利于產(chǎn)生氧氣——薄而均勻的碳層提供了快速的電子運(yùn)動(dòng),使得電解質(zhì)滲透更加容易。最為重要的是,它可以保護(hù)活性金屬位點(diǎn)免受腐蝕,而且暴露區(qū)域極少”。金屬和碳層之間的強(qiáng)烈相互作用表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng),從而能夠有效提高電極活性并減少碳氧化反應(yīng)。
商業(yè)化進(jìn)程
展望未來,Shanmugam預(yù)計(jì)這種技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化至少還需要一年左右的時(shí)間。
我們必須在更大尺寸的集電器上均勻涂覆這種催化劑,并且保證不會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象“他說:”所以,我們需要找到最合適的涂層施加方法“。
此外,Shanmugam教授還認(rèn)為,他們需要更多的后續(xù)研究來了解采用新方法時(shí)在表面發(fā)生的析氧反應(yīng)的確切機(jī)制。
我們必須了解這些電催化劑上精確的OER機(jī)制以保持或避免由于不必要的副反應(yīng)而導(dǎo)致催化劑活性損失”,Shanmugam說道。
在這項(xiàng)計(jì)劃中,該研究團(tuán)隊(duì)的主要研究目標(biāo)是使“綠色”以及可持續(xù)發(fā)展的氫能源的生產(chǎn)規(guī)模超過目前的市場規(guī)模。
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