2024年02月26日 星期一
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GIST研究人员改进水分离反应以实现绿色氢气生产

2023/11/21 14:41:041934

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源自可再生能源的绿色氢气(H2)是未来无碳化的燃料。目前最流行的制备绿色氢气的方法是电解,通过电化学电池将水分解成氧气和氢气。这是一种简单的反应,能够得到高品质的氢气,并且零碳排放。尽管具有这些优势,电化学水分解尚未在商业规模上获得显著进展。这是因为在电化学过程中原位产生的活性(氧)氢氧化物催化剂的电导率较低。这反过来又导致催化活性受到限制,阻碍了电池中的氢和氧析出反应。

长期以来,(羟基)氢氧化物电性能差一直是实现高效水分解的一个挑战。现在,由光州科学技术研究院化学系的副教授Junhyeok Seo领导的研究团队在形成肖特基结的形式上找到了解决这个问题的方法。     

在一项最近的研究中,该研究已于2023830日在线发布,并将于20241月发表在《Applied Catalysis B: Environmental》期刊的第340卷中,他们展示了一种电极,该电极在金属镍钨氮化物(Ni-W5N4)和半导体n型镍铁(氧)羟基(NiFeOOH)催化剂的界面形成了肖特基结。该电极能够克服(羟基)氢氧化物的电导极限,并提高了装置的水分解能力。

值得注意的是,研究团队将一种金属和一种半导体,具有非常不同电子行为的两种材料联系在一起,形成了一个能量差异的界面,形成了一个肖特基结。Seo博士解释说:我们的研究利用了肖特基结中存在的这个电势能壁垒,加速了电子在电极中的流动,导致氧进化反应活性显著增加,从而加快了整体水分解过程,强调了他们新设计的电极背后的核心机制。

在进行电催化水分解时,研究团队观察到Ni-W5N4合金催化了氢进化反应,在小过电位(11 mV)下产生了10 mA/cm2的电流密度。此外,Ni-W5N4 | NiFeOOH界面形成的整流肖特基结抵消了(氧)羟基物种产生的非导电层。在正向偏置下,它在181 mV过电位下表现出11 mA/cm2的电流密度。电极的电化学分析显示,提高的催化活性确实可以归因于肖特基结。

最后,研究人员使用他们设计的肖特基结电极制造了一个用于工业海水电解的电解槽。他们发现,新设备可以连续运行10天,同时在电解过程中展现出卓越的催化活性和耐久性。它在仅230 mV的过电位下表现出惊人的100 mA/cm2的电流密度。

总体而言,研究人员认为这些发现可以为氢气生产提供可持续战略,最终取代仍依赖化石燃料的传统方法。正如Seo博士总结的那样:淡水和海水是丰富且可再生的质子来源。高效的水分解系统确保我们可以建立可持续生产零碳氢燃料,从而帮助解决我们当前的气候问题。

让我们希望Ni-W5N4 | NiFeOOH电极成功地进行水分解的演示为基于肖特基结的耐久高性能能量存储和转换系统开辟新的途径!

来源:https://fuelcellsworks.com/news/gist-researchers-improve-water-splitting-reaction-for-green-hydrogen-gas-production/

翻译人:高丰言