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目前,全球能源供应仍以化石燃料为主,无法持续满足低碳社会的发展需求。氢气(H2)与化石燃料相比,在能量密度和绿色环保方面具有巨大优势,由可再生能源直接驱动水电解是一种理想的生产方法。& y; r0 E5 P5 D% P* {# y
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! B- }2 C. u5 z7 ~通常,传统水电解(CWE)中析氢反应(HER)和析氧反应(OER)同时发生、紧密耦合,不仅提高了分离难度,还有发生爆燃的风险。为了解决上述问题,研究人员在水电解过程中引入了辅助电极,试图让析氢和析氧过程分离。此前的研究对解耦水电解的结构设计,主要集中在多电极(≥3个电极)或多电解槽(≥2个电解槽)方向。这些解耦水电解系统的设计大多操作复杂,在实际生产氢气的过程中存在巨大的限制。
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9 r) E2 B0 C# m6 c- ^3 O2 }1 M近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊JACS Au发表了题为“pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry”的研究论文。该研究提出利用电催化型氢气电容,解耦全pH水电解(all-pH-CDWE),实现有效的H2与O2分离。这一all-pH-CDWE结构仅包含一个电解槽与两个电极,即碳电容型电极和电催化型气体(H2和O2)电极。在电催化型气体电极上交替生成的H2和O2,可以在接近100%的电解液利用率下连续循环800个周期以上。该水电解技术有望简便而且经济地大规模生产H2。8 N5 I; P# V6 U: W" }6 `
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论文截图 | 参考文献 4 v) R* f% E* l3 s0 X) N# P5 [
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: e, ]: m$ S& J: Z4 B* G这一新型的all-pH-CDWE两电极、单电解槽解耦水电解结构系统,主要包括低成本的电容型电极,和用于解耦水电解的电催化型气体电极。与传统水电解的电压相比,在电流密度为5 mA cm-2时,酸性pH-CDWE的能量效率为94%,碱性pH-CDWE的能量效率为97%。此外,气相色谱与原位电化学质谱测试进一步证实了产生的H2具有高的纯度。该all-pH-CDWE的结构设计能够规模化并很好地应用于实际的水电解,有利于应用可再生能源大规模的生产H2。
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参考文献% y0 L- D! A3 z+ i/ N6 b
0 C; d* o5 _, ^4 {6 X- ` EpH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry& ?" l0 }/ K' V" y
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.2c00624
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0 ]+ S# ^1 A( k. G! f: D作者:陈维团队
! Z) }7 ?, x" h' ~; x: s, U编辑:靳小明
! S$ m; O3 e9 k8 q% r7 d排版:尹宁流
& l$ [+ K4 a0 v @2 ]/ T题图来源:团队供图 2 C8 b3 ~, T' b6 R$ N) l6 E- F
& o) S. j: H" l1 f3 u9 j0 z* b( s; s7 M3 P4 D7 i, u
研究团队) d+ c6 E& M, w8 f. R" ?
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, C7 Y1 P x! K+ s通讯作者 陈维:中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师,合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位;2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位;2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作;2018-2019年在EEnotech公司担任科学家;2019年7月入职中国科学技术大学,专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来,作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文40余篇,论文总被引9000余次,H因子45。研究成果获得美国专利5项,中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委,Interdisciplinary Materials杂志学术编委,Catalysts杂志编委。
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课题组主页http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1
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第一作者 朱正新:中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士后。2017年于中国地质大学(武汉)获得工学学士学位,2022年于中国科学技术大学获得理学博士学位。朱正新博士专注于水系可充电氢气电池的开发,以第一作者身份在Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、JACS Au、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊发表论文10余篇,论文总被引300余次。
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论文信息
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发布期刊JACS Au
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. b! Q p- V" c- ? {发布时间 2023年1月24日
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1 m- y# d) r1 L# V论文标题 pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry1 x8 s1 A e. F8 S9 A, r5 Z
(DOI:https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00624) 2 }% k0 m- R4 K. ~* i
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