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導讀
背景 氫氣，在常溫常壓下，是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體。它作為可以一種清潔高效的燃料使用。氫燃燒的產物是水，不會對環境造成任何污染。同時，氫燃燒的熱值高居各種燃料之冠，據測定，每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J，為石油熱值的3倍多。 目前，氫燃料不僅在航空航天項目中用于推進火箭，還可以用于新能源汽車，未來有望成為一種非常重要的可持續能源。如今，絕大多數的氫氣制備是通過一種稱為“甲烷水蒸氣重整”的工藝，從天然氣中提取出來，但缺點是它會同時釋放出二氧化碳。 然而，電解水也是產生氫氣的一種重要方法，而且不會生成二氧化碳。它將水（H2O）通過電流電解生成氧氣（O2）和可作為燃料的氫氣（H2）。電流通過水時，在陰極通過還原水形成氫氣；在陽極則通過氧化水形成氧氣，氫氣生成量大約是氧氣的兩倍。 （圖片來源：維基百科） 前不久，筆者介紹過美國哥倫比亞大學工程學院化學工程系助理教授 Daniel Esposito 的團隊，采用太陽能光伏電池產生的電力進行電解水，有望取代“甲烷水蒸氣重整”，成為制備氫燃料的下一代方法。 創新 近日，電解水制氫技術方面又有了新的突破。隸屬于韓國蔚山國立科技大學（UNIST）的聯合研究團隊成功研制出混合固態電解槽（Hybrid-SOEC）系統。據報道，該系統在制氫方面具有極高的電化學性能。對于廉價且高效地制氫，這種受推薦的系統是一個新的有希望的選擇。因為相比于其他水電解系統來說，它的性能更加優越，因此也備受各界關注。 UNIST 能源與化學工程學院的教授 Guntae Kim 與韓國能源研究所（KIER）教授 Tak-Hyoung Lim 以及淑明女子大學的教授 Jeeyoung Shin，合作領導了這項突破性研究。 （圖片來源：UNIST） 技術 固體氧化物電解槽（SOEC）由兩個電極和一種電解質組成，它們全是固態的。它們被強烈推薦為制氫的一種新的候選方案，因為無需補充損失掉的電解質，同時解決了腐蝕問題。除此之外，SOEC也可以工作在相對較高的溫度下（700-1000 °C），這樣也降低了電能損耗。 Kim 教授和他的研究團隊正在尋找一種途徑，利用SOEC提高制氫的能量效率。在這項研究中，研究團隊演示了一種基于混合離子的導電電解質，讓電解水在氫氣電極和空氣電極上都能發生。 現有的SOEC電解質只允許氫離子或者氧離子中的一種運輸到其他電極。例如，SOEC電解質運輸氧離子，電解水發生于陽極，從而產生出氫氣；作為對比，SOEC電解質運輸氫離子，水電解發生于陰極，從而生產出氧氣。在這里，氫氣從電解質傳輸到陽極。 理論上來說，采用氫離子和氧離子都可以運輸的電解質，能夠在電解槽的兩端，生產出兩種電解產品：氫氣和氧氣。這將極大提升氫氣生產率。在這項研究中，研究團隊致力于控制電解質的特性。 Kim 教授和他的研究團隊報告了他們在開發基于混合離子導體的SOEC系統方面的新發現。這種混合離子導體可以同時傳輸氧離子和質子，所以被稱為“Hybrid-SOEC”。 |
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