綠色能源電解水制氫方法

來源: 發(fā)布時間:2022-05-09

通過O中間體,即O-O直接耦合途徑.而在具有豐富氧空位的無定形金屬氧化物和一些具有高金屬氧共價的鈣鈦礦中,晶格氧機理發(fā)生在遭受水親核攻擊的單個活性氧位點或通過兩個相鄰反應(yīng)晶格氧原子的直接耦合,產(chǎn)生的氧空位將被水分子或大量氧原子補充,同時由此產(chǎn)生的不飽和金屬位點更容易溶解,帶來催化劑穩(wěn)定性問題。吸附氧化機理(AEM)和晶格氧反應(yīng)機理(LOM)是在酸性介質(zhì)中被認(rèn)為較合理的兩種機理。催化劑通過哪一機理發(fā)生催化反應(yīng),選擇單位點還是雙位點途徑和材料本身的電子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系,結(jié)晶度好的氧化物幾乎沒有缺陷,傾向于采用AEM,在單個活性金屬位點上通過*OOH中間體,即所謂的酸堿途徑,或者在兩個相鄰的金屬位點上。析氧反應(yīng)(OER)在水分解,CO2還原和可再生電燃料電池等各種電化學(xué)系統(tǒng)的陽極反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。綠色能源電解水制氫方法

為此降低貴金屬Pt、Pd載量,開發(fā)適應(yīng)酸性環(huán)境的非貴金屬析氫催化劑成為研究熱點。膜電極中析氫、析氧電催化劑對整個水電解制氫反應(yīng)十分重要。理想電催化劑應(yīng)具有抗腐蝕性、良好的比表面積、氣孔率、催化活性、電子導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性以及成本低廉、環(huán)境友好等特征。陰極析氫電催化劑處于強酸性工作環(huán)境,易發(fā)生腐蝕、團聚、流失等問題,為保證電解槽性能和壽命,析氫催化劑材料選擇耐腐蝕的Pt、Pd貴金屬及其合金為主。現(xiàn)有商業(yè)化析氫催化劑Pt載量為0.4~0.6mg/cm2,貴金屬材料成本高,阻礙PEM水電解制氫技術(shù)快速推廣應(yīng)用。廣東復(fù)合電解水公司隨著PEM電解槽的推廣應(yīng)用,其成本有望快速下降,必然是未來5~10a的發(fā)展趨勢。

對于負(fù)載催化劑,金屬-載體相互作用和基底的導(dǎo)電性至關(guān)重要。酸性O(shè)ER材料發(fā)展,并強調(diào)從機理分析性能提高.對金屬性質(zhì)(合金,單原子等)催化劑,氧化物(釕/銥氧化物,非貴金屬氧化物),金屬氧酸鹽類(鈣鈦礦,燒綠石,其它氧酸鹽類),其它無機金屬和非金屬材料進(jìn)行周到綜述。在酸性介質(zhì)中貴金屬Ru和Ir基催化劑具有優(yōu)異的活性和可應(yīng)用性,優(yōu)于其他鉑族金屬(如Rh、Pd和Pt).盡可能多地暴露活性位點,提高本征活性,以盡量減少貴金屬消耗,同時兼顧長期運行的穩(wěn)定性是催化劑設(shè)計必須面臨的問題。

作為水電解槽膜電極的中心部件,質(zhì)子交換膜電解水電解水不但傳導(dǎo)質(zhì)子,隔離氫氣和氧氣,而且還為催化劑提供支撐,其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。長期被國外少數(shù)廠家壟斷,質(zhì)子交換膜電解水電解水價格高達(dá)幾百~幾千美元/m2。為降低膜成本,提高膜性能,國內(nèi)外重點攻關(guān)改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜電解水電解水、有機/無機納米復(fù)合質(zhì)子交換膜電解水電解水和無氟質(zhì)子交換膜電解水電解水。全氟磺酸膜改性研究聚焦聚合物改性、膜表面刻蝕改性以及膜表面貴金屬催化劑沉積3種途徑。通過引入無機組分制備有機/無機納米復(fù)合質(zhì)子交換膜電解水電解水,使其兼具有機膜柔韌性和無機膜良好熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能,成為近幾年的研究熱點。下游應(yīng)用方面,質(zhì)子交換膜可普遍應(yīng)用于燃料電池、電解水、氯堿工業(yè)等領(lǐng)域。

陽極反應(yīng)過電勢與陰極反應(yīng)過電勢的大小,是水電解制氫效率高低的主要影響因素之一,通常陽極反應(yīng)過電勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陰極反應(yīng)過電勢。PEM水電解制得的氫氣純度高,而且其制氫負(fù)荷可以實現(xiàn)在0~1之間智能連續(xù)自動化控制,因而PEM水電解制氫逐步取代了傳統(tǒng)的堿水制氫和氫氣瓶組等方式。由于氫氣可以大規(guī)模長時間存儲,相對于其他儲能方式,在時間尺度和規(guī)模尺度上均有明顯優(yōu)勢;結(jié)合可再生能源電力的波動性,可以充分發(fā)揮氫氣的儲能優(yōu)點,并實現(xiàn)大規(guī)模低成本制氫。在PEM水電解過程中,電解槽陽極的析氧反應(yīng)是該過程的速控步驟。選用聚芳醚酮和聚砜等廉價材料制備無氟質(zhì)子交換膜,也是質(zhì)子交換膜的發(fā)展趨勢。山東全氟磺酸電解水機

在PEM水電解過程中,電解槽陽極的析氧反應(yīng)是該過程的速控步驟。綠色能源電解水制氫方法

除了降低催化劑貴金屬載量,提高催化劑活性和穩(wěn)定性外,膜電極制備工藝對降低電解系統(tǒng)成本,提高電解槽性能和壽命至關(guān)重要。根據(jù)催化層支撐體的不同,膜電極制備方法分為CCS法和CCM法。CCS法將催化劑活性組分直接涂覆在氣體擴散層,而CCM法則將催化劑活性組分直接涂覆在質(zhì)子交換膜電解水電解水兩側(cè),這是2種制作工藝較大的區(qū)別。與CCS法相比,CCM法催化劑利用率更高,大幅降低膜與催化層間的質(zhì)子傳遞阻力,是膜電極制備的主流方法。在CCS法和CCM法基礎(chǔ)上,近年來新發(fā)展起來的電化學(xué)沉積法、超聲噴涂法以及轉(zhuǎn)印法成為研究熱點并具備應(yīng)用潛力。新制備方法從多方向、多角度改進(jìn)膜電極結(jié)構(gòu),克服傳統(tǒng)方法制備膜電極存在的催化層催化劑顆粒隨機堆放,氣體擴散層孔隙分布雜亂等結(jié)構(gòu)缺陷,改善膜電極三相界面的傳質(zhì)能力,提高貴金屬利用率,提升膜電極的電化學(xué)性能。綠色能源電解水制氫方法

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