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“师法自然”——南京理工大学实现变革性“无膜”电解水制氢 |
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2023年7月5日，南京理工大学能源与动力工程学院李强教授、刘东教授团队在Joule期刊上发表了题为“Ampere-Level Membrane-Less Water Electrolysis Enabled by Rose-Petal-Effect-Mimetic Interface”的研究成果。
该成果报道了变革性“无膜”电解水制氢装置。仿生玫瑰花瓣效应，实现了在4.2 A/cm2的电流密度下“无气泡”电解水制氢。在不采用离子交换膜或隔膜的条件下，无膜、单腔室电解装置在1 A/cm2工作时，能量转化效率达到61.5%且氢气掺混率仅为0.003%。论文通讯作者是李强教授和刘东教授；第一作者是博士研究生邓楷。
可再生能源驱动的电解水制氢可以生产清洁的氢能并实现波动可再生能源电力的高密度储存，是实现“双碳”目标的重要技术之一。电解水产生的氢气和氧气如果掺混在一起就变成了炸弹，因此，从19世纪第一台电解装置到如今的商业PEM和碱性电解槽，都被离子交换膜或隔膜分成阴极和阳极两个腔室。膜的桎梏是PEM和碱性电解槽难以规模化推广的关键瓶颈。
在这项工作中，南京理工大学李强教授、刘东教授团队“师法自然”，提出了仿生玫瑰花瓣效应的电极设计方法。电极兼具疏水性和对水的粘附性，像玫瑰花瓣一样，即使电极倒置水滴也不会落下，为电子、离子和气体分子同时构建了高效传输通道，实现了提升电流密度、提高能量转化效率、抑制气泡三者协同。
图1：玫瑰花瓣效应与仿生电极。
玫瑰花瓣效应仿生电极（RPEM）实现了高达4.2 A/cm2的“无气泡”电解水制氢电流密度（1 M H2SO4电解液）；而气体扩散电极（GDL）和平面电极（Planar）分别在0.8和0.02 A/cm2下开始大量产生气泡。阴阳两极同时采用玫瑰花瓣效应仿生电极，研制了变革性“无膜”电解新装置，在1 A/cm2电流密度下工作时，氢气掺混率仅为0.003%，能量转化效率高达61.5%；大幅降低膜的成本的同时，性能超越商业碱性电解槽，与PEM相当。研究成果可以推广至碱性电解液和低成本催化材料，进一步降低制氢成本。
图2：仿生电极与无膜电解装置的性能。
该成果为可再生能源驱动的电解水制氢技术的变革和规模化推广提供了新方向。该工作得到了基金委“能源有序转化”基础科学中心项目（No. 51888103）和国家重点研发计划项目（No. 2021YFF0500700）的资助。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.06.010
