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美国丨海水制氢催化剂研究取得新突破

海水占全球水资源总量的96.5%,直接电解海水不仅能获取清洁低碳的氢气,还可产生饮用水,这对于氢能普及和可持续发展非常重要,尤其是水资源捉襟见肘的地区。


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多年来,许多商业化的水电解制氢需要高纯度淡水。但是,干净的淡水供应有限。海水占全球水资源总量的96.5%,直接电解海水不仅能获取清洁低碳的氢气,还可产生饮用水,这对于氢能普及和可持续发展非常重要,尤其是水资源捉襟见肘的地区。


现实情况是,多年来海水电解制氢的进展有限。该项工作极具挑战性,特别是对于阳极反应而言,一方面反应期间的氯析出会腐蚀电极,如果在碱性介质中,氯会进一步反应生成次氯酸盐;另一方面反应期间易形成不溶性沉淀物,从而使催化剂中毒失去活性。因此,迫切需要开发耐用且廉价的催化剂以加速缓慢的海水分解过程。


最近,休斯敦大学在新的析氧反应催化剂研究方面取得重大突破——由廉价的非贵金属氮化物(Transitionmetal-nitride)组成的装置高度耐腐蚀,导电且机械强度高,能产生工业需求的电流密度,同时只用相对较低的电压便可启动,有望成为电解海水非常有前途的材料。近年来,围绕Ni3N/Ni、NiMoN、Ni-fe-mo金属氮化物催化剂的研究使基于TMN材料作为碱性电解水的高效非贵金属电催化剂崭露头角。


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该3D core-shell TMN-based纳米催化剂利用在多孔镍泡沫上的镍铁氮化物和镍钼氮化物纳米棒制成。对于1 M KOH 天然海水中的OER(25°C),上电位分别为369 mV和398mV时,可产生500和1000 毫安/平方厘米的大电流密度。研究人员用得克萨斯州沿海加尔维斯顿湾的海水对催化剂进行了测试。此外,该纳米催化剂也可用于废水制氢。

  

基于此纳米催化剂的电解槽可以由一个AA电池或一个商业热电(TE)模块驱动,显示对电源的广泛适应性,有助于推动后续大规模、低成本、绿色氢气的制备。


参考:Non-noble metal-nitride based electrocatalysts for high-performance alkaline seawater electrolysis